“地（GND）本应是 0 V，为什么还会产生噪声呢？”
刚开始做电路设计时，我也这样想过。GND 是电位基准，也就是一个固定的 0 V 点。然而在实际电路中，GND 电位会晃动，并成为噪声的来源。这种现象被称为地弹（Ground Bounce）。
本文将结合 uSimmics（原 QucsStudio）仿真，讲解地弹为什么会发生及其原理。
电路是一个“回路”——GND 上也有电流流过
先从根本说起。
电子电路正如其名，构成了一个“回路”（环路）。电流从电源流出，经过 IC 和元件使其工作，再经由地返回电源。
在原理图中，GND 符号被画成“电位基准点＝0 V”，返回线通常被省略。但那条被省略的线，在实际电路板上是以物理存在的铜箔走线和图形存在的。
这一事实，正是理解地弹的出发点。
GND 走线具有“阻抗”
理想导线的阻抗为零。但现实中的导线和 PCB 走线并非理想。
走线一定存在电感。即使是细走线，其直流电阻也小到可以忽略，但由电感产生的阻抗（Z = jωL）会随频率升高而增大。在 IC 高速开关的现代电路中，这个电感会达到不可忽视的数值。
即便是一根直走线，也有约 1 nH/mm 的电感。例如 10 mm 的 GND 走线约为 10 nH，在 100 MHz 时约为 6.3 Ω 的阻抗。
地弹的真面目——V = L × di/dt
当电流流过具有电感的走线时，只要电流发生变化，就会产生电压。用公式表示为：
V = L × di/dt其中 L 为电感，di/dt 为电流随时间的变化率。
当数字 IC 开关时，电源电流会急剧变化。例如输出由低电平切换到高电平的瞬间，IC 会从电源一次性抽取电流。这种陡峭的电流变化流过 GND 走线的电感时，就会如公式所示产生电压。
本应为 0 V 的地电位，在一瞬间被抬高或被拉低——这就是地弹。
电源侧也会发生同样的问题
虽然名为“地”弹，但电源线上也会发生同样的现象。当变化的电流流过电源走线的电感时，电源电压也会同样波动。电源与地是对称关系，因此两者都需要采取同样的对策。
用 uSimmics 验证——GND 阻抗与地弹波形
下面用实际仿真来验证。
电路构成
在 uSimmics 中搭建如下电路：
- 模拟 IC 开关动作的电流源（上升时间 1 ns，峰值电流 50 mA）
- 模拟 GND 走线的电感（L = 10 nH）
- 观测节点：GND 走线上的电压
仿真结果
从波形中可以读出：
- 电流变化率（di/dt）越大，GND 的波动（地弹）越大。
- 电感 L 越大（走线越长），在相同电流变化下地弹越大。
- 地弹之后会产生振铃——由 L 与（杂散电容）C 构成的 LC 谐振。
改变 L 进行对比
将 L 依 1 → 10 → 30 nH 增大，振幅也随之扩大为 0.05 → 0.43 → 0.73 V，可见 GND 返回路径的电感直接决定了地弹的大小。
公共阻抗——地弹会波及其他电路
当多个电路共用同一 GND 时，地弹会变得更加严重。
当电路 A 的开关电流流过共用的 GND 走线（公共阻抗）时，由此产生的电压波动也会影响电路 B 的地电位。从电路 B 的角度看，自己什么都没做，GND 却在晃动，这就成了误动作的原因。这被称为公共阻抗耦合。
地弹的对策
原因清楚了，对策的方向也就明确了。由 V = L × di/dt 可知，有以下三种有效对策。
① 将去耦电容放置在 IC 附近
不要让 IC 的开关电流从远处的电源供给，而是从放置在 IC 旁边的电容瞬时供给。电容储存有电荷，能够对突发的电流需求快速响应。
关键在于要“靠近”。如果把去耦电容放在离 IC 较远的位置，其间的走线电感会使其在高频下的效果大幅下降。
→ 关于去耦电容的布局与效果，请参阅下一篇文章：去耦电容为什么要靠近 IC 放置？
② 降低 GND 走线的电感
要降低电感，基本做法是让走线短、宽、直。
在 PCB 上，将 GND 做成实心图形（地平面）最为有效。面状的实心图形比线状走线的阻抗低得多，能够大幅抑制地弹。在四层板中，将一层专门作为实心 GND 平面是标准的设计做法。
③ 放缓 di/dt
只要让电流变化更平缓，L × di/dt 的值就会变小。可以降低 IC 的输出驱动强度，或插入铁氧体磁珠来使信号上升沿变钝。不过这种方法会与信号速度产生折衷，因此对于数字信号需要慎重判断。
总结
地弹的要点归纳如下：
- GND 虽是“电位基准点”，但现实走线具有电感。
- 开关电流骤变时，GND 电位会因 V = L × di/dt 而波动——这就是地弹。
- 多个电路共用 GND 时，干扰会通过公共阻抗扩散。
- 对策：① 将去耦电容放置在 IC 附近，② 降低 GND 电感（实心平面），③ 放缓 di/dt。
如果把 GND 轻视为“一条普通的 0 V 线”，就会在噪声问题上吃苦头。像对待信号线那样，把 GND 也当作“具有阻抗的导体”来设计，才是制作抗噪声电路板的第一步。
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