鑽石舞台

1 地彈的概念

地彈、振鈴、串擾、信號反射······這幾個在信號完整性分析中是分析的重點對象。初學者一看：好高深！其實，感覺高深是因為你滿天聽到「地彈」二字，卻到處找不到「地彈的真正原理」。如果你認真讀筆者的「噪聲的起源」章節，其實你已經認識了地彈！地彈，就是地噪聲！

2 為何叫地彈

既然是地噪聲，為啥叫「地彈」？為什麼既然是一樣的東西，卻換了個名稱，害的我苦苦思索不得其解。

低頻時，地噪聲主要是因為構成地線的導體有「電阻」，電路系統的電流都要流經地線而產生的電勢差波動。

高頻時，地噪聲主要是因為構成地線的導體有「電感」，電路系統的電流快速變化地經過這個「電感」時，「電感」兩端激發出更強的電壓擾動，形象的稱為「地彈」。

地彈，一般對IC而言。因為芯片內部的「電路地」和芯片的「地引腳」實際上是用一根很細很細的金線連接起來的，所以這個金線電感較大，所以可能會導致芯片內部電路的地和現實PCB的地有強烈的「電壓差波動」——很強的地彈現象！這個地彈不像PCB板那樣，可以通過增加去耦電容減弱。

假設你有一塊B PCB板，一塊A主板；B PCB板插在主板上使用。再假設A、B的地線連接點不夠大，當A、B間有高速信號通訊時，B板上的「地平面」和A板上的「地平面」將有較大的「地間電壓差波動」。這同樣是一種PCB板上的「地彈效應」。

地彈其實是「地噪聲」的別名而已，理解就好！

地彈形成的機理和危害

本來不想寫地彈的機理，感覺與「噪聲的起源」重複了。但思來想去，感覺這麼經典的問題，還是不怕多提幾下，所以又寫了下來。

1 地彈形成的機理

如下圖，紅色框內代表數字電路。「噪聲的起源」章節中已經講述：當下圖中S5在不斷的向左右切換時，由於地線上E、A間的R14電阻的存在，E點將相對於A點產生電勢差。在高頻狀態下，E、A電勢差的主要起因不再是「E、A間的電阻」，而是「E、A間的電感」。

「E點的地」相對於「A點的地」的地噪聲就是電路系統工作時的地彈現象。

2 地彈的危害

下圖，也是「噪聲的起源」章節的內容，地噪聲（地彈）相當於在一個「擁有理想地」的電路中，被外部「輸入地噪聲」。那麼，假設E點上存在着1MHz的地噪聲，這會有什麼危害？

2.1 地噪聲使所有信號線上出現噪聲

由「地環路的危害」分析可知，假設上圖中框內的數字模塊有20根信號線，那麼地噪聲將直接反應在20根信號線上，從而影響這些信號的波形質量，並通過這20根信號線向外輻射。

2.2 地彈使地線產生輻射

也許你會問：地線也會產生輻射？也許你閱讀了某些講PCB布線的書籍上描述到：不正確的鋪地將產生「地線輻射」，加重干擾！——但是你不明白其原理，甚至懷疑書本作者有沒有寫錯！那我告訴你，地線真有可能存在輻射！下圖是一個單面PCB板的布線示意圖。藍色線代表從E點連出來的地線，細長地走單獨分布在PCB板邊緣，不和任何電子模塊連接。由於該例子中，E點相對於A點存在1MHz的地噪聲，那麼整條藍色的地線都相對於A點存在1MHz的噪聲。而由於這條地線長長地拉在PCB板的邊緣，這條線像一根發射天線那樣（長長的形狀、上面有1MHz的「將要發射的信號」），不斷地發射「地噪聲」。

如何減弱「PCB地彈效應」

1 增加恰當的去耦電容

實際上，為了減小1MHz對整個電路的干擾，我們在D、E點間加入去耦電容C7。如圖示。那麼，這個電容的作用是什麼？

其等效電路分析如下（注意，該等效電路不是非常準確，但是能說出大致原理，精確的模型請讀者在技術上進階後自行思考分析）：由於C的容抗為：Zc=1/（2πfc），故對於電源和地的1MHz的噪聲而言，等效為下圖的R34。

由於R34的阻抗遠遠小於（R32 + R33 + R35），而「噪聲信號源」（即：圖中的數字電路模塊）又有相當大的「內阻」，所以會產生2個效果：

「噪聲信號源」的大部分能量將通過R34——因而大部分噪聲能量通過圖中的「（1）」環路構成較小的環流路徑而消失掉，這部分能量雖然強，但是不會干擾「（1）」以外的電路；只有小部分能量「逃出」「（1）」環路，以較弱的能量干擾其他電路。

「噪聲信號源」的1MHz方波干擾將不復存在，將被C7濾成圖中實線表示的類似正弦波的變化平滑的波形。

這樣的好處是：

環路面積減小，高頻的輻射能量減輕，EMC干擾將大大減小；

方波干擾變成正弦波干擾，其高次諧波分量將大大減小，所以其干擾能力也大大減弱！哈哈，太和諧了！

現在，你是否明白了：為什麼數字芯片電源端一般要得接一個電源去耦電容？為什麼很多講PCB布線的書籍上都會出現「要添加電源去耦電容」？相關文章推薦:EMC防護中的濾波電容。

2 用粗短的「地線」

由於地線存在電阻、電感而產生地噪聲。所以，我們要減小地線的「電阻、電感」。

當地線增大、長度減短時，其電阻和電感會減小，從而成功減小地噪聲。這樣，地彈將大大減小！

所以在PCB Layout布線時，能用粗的地線就不要用細的地線。能用短的地線就不要用長的地線。

注意：不要為了減短一點點地線而盲目地加長N倍的電源線，電源與地都是非常重要的，必須具體問題具體分析。所以還是那句——得注重原理，而不是具體的「減短地線」的做法。

總結

地彈，就是地噪聲

地彈使地線產生輻射

增加恰當的去耦電容可減弱模塊間的地彈效應

來源：STM32嵌入式開發