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问题什么是地弹？有哪些危害？
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7 G( t0 x2 h7 ~& K2 S: R. X1 d, {地弹定义：
6 M5 N% I! x. g# {, a5 F% I4 C" J所谓“地弹”，是指芯片内部“地”电平相对于电路板“地”电平的变化现象。以电路板“地”为参考，就像是芯片内部的“地”电平不断的跳动，因此形象的称之为地弹（ground bounce）。当器件输出端由一个状态跳变到另一个状态时，地弹现象会导致器件逻辑输入端产生毛刺。对于任何封装的芯片，其引脚会存在电感电容等寄生参数。而地弹正是由于引脚上的电感引起的。 现在，集成电路的规模越来越大，开关速度不断提高，地弹噪声如果控制不好就会影响电路的功能，因此有必要深入理解地弹的概念并研究它的规律。2 d$ ^7 ? ]6 h' B' z! P t( P
芯片内同一电源供电的多个I/O管脚输出buffer从1到0同步跳变时，外部负载通过IO接口向GND网络灌入大量的瞬态电流，引起GND内部节点电平相对系统GND产生变化，即发生地弹现象。对应地弹Ground Bounce还有一个概念叫Vcc Bounce，从0到1，影响Vcc的电平，只是器件一般对Vcc容忍能力强一些，所以Vcc Bounce经常被忽略了。 % w3 c. S6 ~9 |% f2 \2 M" Q3 ?
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为什么叫“地弹”
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. u2 R) O$ p" @+ D6 i/ x2 {$ ^: y为何叫地弹 。既然是地噪声，为啥叫“地弹”？为什么既然是一样的东西，却换了个名称，害的我苦苦思索不得其解？ 低频时，地噪声主要是因为构成地线的导体有“电阻”，电路系统的电流都要流经地线而产生的电势差波动。 " k& N1 @4 L3 ^* O+ w7 F
高频时，地噪声主要是因为构成地线的导体有“电感”，电路系统的电流快速变化地经过这个“电感”时，“电感”两端激发出更强的电压扰动，形象的称为“地弹”。 + c J6 ]$ I" i/ Y! V7 \& z
地弹，一般对IC而言。因为芯片内部的“电路地”和芯片的“地引脚”实际上是用一根很细很细的金线连接起来的，所以这个金线电感较大，所以可能会导致芯片内部电路的地和现实PCB的地有强烈的“电压差波动”——很强的地弹现象！这个地弹不像PCB板那样，可以通过增加去耦电容减弱。 5 f/ _/ _5 B+ A @
假设你有一块B PCB板，一块A主板；B PCB板插在主板上使用。再假设A、B的地线连接点不够大，当A、B间有高速信号通讯时，B板上的“地平面”和A板上的“地平面”将有较大的“地间电压差波动”。这同样是一种PCB板上的“地弹效应”。
. _7 l6 {- n/ o a# Q, i地弹，其实是“地噪声”的别名而已，理解就好！估计你不用往下看都可以了。
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地弹形成的机理：
& P3 x8 i- q/ R9 t) M3 B如下图，红色框内代表数字电路。“噪声的起源”章节中已经讲述：当下图中S5在不断的向左右切换时，由于地线上E、A间的R14电阻的存在，E点将相对于A点产生电势差。在高频状态下，E、A电势差的主要起因不再是“E、A间的电阻”，而是“E、A间的电感”。 * c1 l5 V7 T( d$ Q: S1 [
“E点的地”相对于“A点的地”的地噪声就是电路系统工作时的地弹现象。 - o5 c+ h3 k2 u1 T/ }
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0 D& [3 X! ?6 L+ e( L地弹的危害：
1 P5 f+ D9 ?; m由于地平面电平被干扰，所以会引起输入输出信号的误判。同时地弹还会影响信号边沿，使信号边沿变缓。下图，也是“噪声的起源”章节的内容，地噪声（地弹）相当于在一个“拥有理想地”的电路中，被外部“输入地噪声”。那么，假设E点上存在着1MHz的地噪声，这会有什么危害？+ R( }, k4 Y* B! J
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地噪声使所有信号线上出现噪声由“地环路的危害”分析可知，假设上图中框内的数字模块有20根信号线，那么地噪声将直接反应在20根信号线上，从而影响这些信号的波形质量，并通过这20根信号线向外辐射。
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) X- O* q$ S6 X9 \- O$ N; y0 e7 B地弹使地线产生辐射 ：
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也许你会问：地线也会产生辐射？
. ^( W2 ]( |5 t3 h; I X% c也许你阅读了某些讲PCB布线的书籍上描述到：不正确的铺地将产生“地线辐射”，加重干扰！——但是你不明白其原理，甚至怀疑书本作者有没有写错！
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那我告诉你，地线真有可能存在辐射！
: d4 O; B0 q! l x0 E) h% `下图是一个单面PCB板的布线示意图。蓝色线代表从E点连出来的地线，细长地走单独分布在PCB板边缘，不和任何电子模块连接。 9 Q4 z0 X- D: c' J% Q, s2 u
由于该例子中，E点相对于A点存在1MHz的地噪声，那么整条蓝色的地线都相对于A点存在1MHz的噪声。而由于这条地线长长地拉在PCB板的边缘，这条线像一根发射天线那样（长长的形状、上面有1MHz的“将要发射的信号”），不断地发射“地噪声”- Z. ^0 Q/ [* P8 J1 @
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! E, s" U$ H% @+ Y$ Q. d# } R' t9 j如何减弱“PCB地弹效应”：( [" t3 P, o, E3 u* ?
3.1、增加恰当的去耦电容
' h: G) |0 C! v' [3 k/ d实际上，为了减小1MHz对整个电路的干扰，我们在D、E点间加入去耦电
1 A/ e9 h& s, _. A F容C7。如图示。那么，这个电容的作用是什么？
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% W& I2 Q3 I0 I% ~* p0 O" I. A( J. @其等效电路分析如下（注意，该等效电路不是非常准确，但是能说出大致原
1 [1 T* }; v/ x) @& o& y- h理，精确的模型请读者在技术上进阶后自行思考分析）：
' ? ]' P" Q |% M% N由于C的容抗为：Zc=1/（2πfc），故对于电源和地的1MHz的噪声而言，等3 y9 h) G) z2 Y8 p7 C, ^& [6 `6 j
效为图3.1-2的R34。由于R34的阻抗远远小于（R32 + R33 + R35），而“噪声信2 E6 ]. T. F- ]2 G' d# t$ X$ h
号源”（即：图中的数字电路模块）又有相当大的“内阻”，所以会产生2个效果：# g6 y% n8 V L( G3 d
1、“噪声信号源”的大部分能量将通过R34——因而大部分噪声能量通过图中的
! }7 @: b2 G/ A' a+ D“（1）”环路构成较小的环流路径而消失掉，这部分能量虽然强，但是不会干扰" F P8 I6 o9 _: l- E2 r
“（1）”以外的电路；只有小部分能量“逃出”“（1）”环路，以较弱的能量干扰$ O3 A( Y v; T$ m+ b4 Q
其他电路。2、“噪声信号源”的1MHz方波干扰将不复存在，将被C7滤成图中$ E- d- Y* g: u1 r i8 P
实线表示的类似正弦波的变化平滑的波形。: }1 w; e6 N0 x$ Z# H+ w3 f
这样的好处是：1、环路面积减小，高频的辐射能量减轻，EMC干扰将大大% _4 a7 I: O8 @ g- g8 i
减小；2、方波干扰变成正弦波干扰，其高次谐波分量将大大减小，所以其干扰( s* I# E, o4 @6 Q
能力也大大减弱！
) ]; c7 T) ^8 k; N哈哈，太和谐了！7 p) ]; X# s8 ^+ f# V
现在，你是否明白了：为什么数字芯片电源端一般要得接一个电源去耦电容？% n9 }. x- b0 [$ {( p
为什么很多讲PCB布线的书籍上都会出现“要添加电源去耦电容”, O& z: y' c t& M
) e* W4 u5 t, L" k, K
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发表于 2019-9-27 15:08
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