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围观大功率直流电源电路设计工程师深入浅出说地弹

大功率直流电源电路设计工程师告诉你什么是地弹?

相对与信号完整性的其他问题,对于地弹,大家或许相对陌生一些。

围观大功率直流电源电路设计工程师深入浅出说地弹

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)。当器件输出端有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。这是从百度百科中抄下来的一段话,说得比较清楚。

低频时,地噪声主要是因为构成地线的导体有“电阻”,大功率直流电源电路系统的电流都要流经地线而产生的电势差波动。

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”。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。

围观大功率直流电源电路设计工程师深入浅出说地弹

大功率直流电源电路设计工程师告诉你“地弹”是如何产生的呢?


对于任何形式封装的芯片,其引脚必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。

我们可以用下图来直观的解释一下。图中开关Q的不同位置代表了输出的“0”“1”两种状态。假定由于电路状态装换,开关Q接通RL低电平,负载电容对地放电,随着负载电容电压下降,它积累的电荷流向地,在接地回路上形成一个大的电流浪涌。随着放电电流建立然后衰减,这一电流变化作用于接地引脚的电感LG,这样在芯片外的电路板“地”与芯片内的地之间,会形成一定的电压差,如图中VG。这种由于输出转换引起的芯片内部参考地电位漂移就是地弹。

围观大功率直流电源电路设计工程师深入浅出说地弹

芯片A的输出变化,产生地弹。这对芯片A的输入逻辑是有影响的。接收逻辑把输入电压和芯片内部的地电压差分比较确定输入,因此从接收逻辑来看就象输入信号本身叠加了一个与地弹噪声相同的噪声。

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。

然后可以做一些定性的分析,基本模型图如下图:

微信图片_20180322144751.jpg围观大功率直流电源电路设计工程师深入浅出说地弹

有上面的波形图以及公式可以看出,地弹主要是引脚的电感效应产生的。可以参照实际的地弹测试结果来对比,由下图可以看出,大概发生在边沿的跳变点附近,和理论结果相当。有兴趣可以用软件仿真,看得更为清楚,网上这样的例程很多。

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