《電子技術應用》
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認識地彈

2015-04-16

1、什么是地彈 

1.1、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總是分析的重點對象。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! 

1.2、為何叫地彈 

既然是地噪聲,為啥叫“地彈”?為什么既然是一樣的東西,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!估計你不用往下看都可以了。

2、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”重復了。但思來想去,感覺這么經典的問題,還是不怕多提幾下,所以又寫了下來。 

2.1、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,由于地線上E、A間的R14電阻的存在,E點將相對于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”相對于“A點的地”的地噪聲就是電路系統工作時的地彈現象。 

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2.2、地彈的危害 

下圖,也是“噪聲的起源”章節的內容,地噪聲(地彈)相當于在一個“擁有理想地”的電路中,被外部“輸入地噪聲”。 那么,假設E點上存在著1MHz的地噪聲,這會有什么危害?

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2.2.1、地噪聲使所有信號線上出現噪聲 由上一章“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,那么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,并通過這20根信號線向外輻射。 

2.2.2、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。 由于該例子中,E點相對于A點存在1MHz的地噪聲,那么整條藍色的地線都相對于A點存在1MHz的噪聲。而由于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”。 

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3、如如何減弱“PCB地彈效應” 

3.1、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。那么,這個電容的作用是什么? 

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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后自行思考分析): 由于C的容抗為:Zc=1/(2πfc),故對于電源和地的1MHz的噪聲而言,等效為圖3.1-2的R34。由于R34的阻抗遠遠小于(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:1、“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。2、“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:1、環路面積減小,高頻的輻射能量減輕,EMC干擾將大大減小;2、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:為什么數字芯片電源端一般要得接一個電源去耦電容?為什么很多講PCB布線的書籍上都會出現“要添加電源去耦電容”? 

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3.2、用粗短的“地線” 

由于地線存在電阻、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——讀者得注重原理,而不是具體的“減短地線的做法”。 

4、本章重點 

(1)、地彈,就是地噪聲! (2)、地彈使地線產生輻射。 (3)、增加恰當的去耦電容可減弱模塊間的地彈效應。 (4)、讀者得注重原理,而不是具體的做法。 


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