1.引言
随着电子产品功能的日益复杂和性能的提高，印刷电路板的密度和其相关器件的频率都不断攀升，保持并提高系统的速度与性能成为设计者面前的一个重要课题。信号频率变高，边沿变陡，印刷电路板的尺寸变小，布线密度加大等都使得串扰在高速PCB设计中的影响显著增加。串扰问题是客观存在，但超过一定的界限可能引起电路的误触发，导致系统无法正常工作。设计者必须了解串扰产生的机理，并且在设计中应用恰当的方法，使串扰产生的负面影响最小化。
2.高频数字信号串扰的产生及变化趋势
串扰是指当信号在传输线上传播时，相邻信号之间由于电磁场的相互耦合而产生的不期望的噪声电压信号，即能量由一条线耦合到另一条线上。
如图1所示，为便于分析，我们依照离散式等效模型来描述两个相邻传输线的串扰模型，传输线AB和CD的特性阻抗为Z0，且终端匹配电阻R=Z0。如果位于A 点的驱动源为干扰源，则A—B间的线网称为干扰源网络(Aggressor line)，C—D之间的线网被称为被干扰网络(Victim line)，被干扰网络靠近干扰源网络的驱动端的串扰称为近端串扰(也称后向串扰)，而靠近干扰源网络接收端方向的串扰称为远端串扰(也称前向串扰)。串扰主要源自两相邻导体之间所形成的互感Lm和互容Cm。
2.1感性耦合
在图1中，先只考虑互感Lm引起的感性耦合。线路A到B上传输的信号的磁场在线路C到D上感应出电压，磁耦合的作用类似一个变压器，由于这是个分布式的传输线，所以互感也变成一连串的变压器分布在两个相邻的并行传输线上。当一个电压阶跃信号从A移动到B，每个分布在干扰线上的变压器会依序感应一个干扰尖脉冲出现在被干扰网络上。互感在被干扰网络上叠加的这个电压噪声，其大小跟干扰网络上驱动电流的变化成正比。由互感产生的噪声计算公式为
值得注意的是，耦合变压器每一段的互感耦合的极性是不同的，这些感应到被干扰网路的干扰能量依序前向和后向，但极性相反，沿着传输线CD分别往C和D点行进。FROM EDN
因此，按图中构造的环境，电流的整个通路是：由C1的正极->IC1的VCC->S1->L2信号线->R1->IC2的 GND->过孔->GND层的黄色路径->过孔->电容负极。可以看到，电流的垂直方向有一个棕色的等效电流，中间会感应出磁场，同时，这个环面也能很容易的耦合到外来的干扰。如果和图中信号为一条时钟信号，并行有一组8bit的数据线，由同一芯片的同一电源供电，电流回流途径是相同的。如果数据线电平同时同向翻转的话，会使时钟上感应一个很大的反向电流，如果时钟线没有良好的匹配的话，这个串扰足以对时钟信号产生致命影响。这种串扰的强度不是和干扰源的高低电平的绝对值成正比，而是和干扰源的电流变化速率成正比，对于一个纯阻性的负载来说，串扰电流正比于dI/dt=dV /(T10%-90%*R)。式中的dI/dt (电流变化速率)、dV(干扰源的摆幅)和R(干扰源负载)都是指干扰源的参数(如果是容性负载的话，dI/dt是与T10%-90%的平方成反比的。)。从式中可以看出，低速的信号未必比高速信号的串扰小。也就是我们说的：1kHZ的信号未必是低速信号，要综合考虑沿的情况。对于沿很陡的信号，是包含很多谐波成分的，在各倍频点都有很大的振幅。因此，在选器件的时候也要注意一下，不要一味选开关速度快的芯片，不仅成本高，还会增加串扰以及EMC问题。
任何相邻的电源层或其它的平面，只要在信号两端有合适的电容提供一个到GND的低电抗通路，那么这个平面就可以作为这个信号的回流平面。在平常的应用中，收发对应的芯片IO电源往往是一致的，而且各自的电源与地之间一般都有0.01-0.1uF的退耦电容，而这些电容也恰恰在信号的两端，所以该电源平面的回流效果是仅次于地平面的。而借用其他的电源平面做回流的话，往往不会在信号两端有到地的低电抗通路。这样，在相邻平面感应出的电流就会寻找最近的电容回到地。如果这个“最近的电容”离始端或终端很远的话，这个回流也要经过“长途跋涉”才能形成一个完整的回流通路，而这个通路也是相邻信号的回流通路，这个相同的回流通路和共地干扰的效果是一样的，等效为信号之间的串扰。
对于一些无法避免的跨电源分割的情况，可以在跨分割的地方跨接电容或RC串联构成的高通滤波器(如10欧电阻串680p电容，具体的值要依自己的信号类型而定，即要提供高频回流通路，又要隔离相互平面间的低频串扰)。这样可能会涉及到在电源平面之间加电容的问题，似乎有点滑稽，但肯定是有效的。如果一些规范上不允许的话，可以在分割处两平面分别引电容到地。
对于借用其它平面做回流的情况，最好能在信号两端适当增加几个小电容到地，提供一个回流通路。但这种做法往往难以实现。因为终端附近的表层空间大多都给匹配电阻和芯片的退耦电容占据了。
这里简单构造了一个“场景”，结合下图介绍一下地回流和电源回流以及一些跨分割问题。为方便作图，把层间距放大。
IC1为信号输出端，IC2为信号输入端(为简化PCB模型，假定接收端内含下接电阻)第三层为地层。IC1和IC2的地均来自于第三层地层面。顶层右上角为一块电源平面，接到电源正极。C1和C2分别为IC1、IC2的退耦电容。图上所示的芯片的电源和地脚均为发、收信号端的供电电源和地。
在低频时，如果S1端输出高电平，整个电流回路是电源经导线接到VCC电源平面，然后经橙色路径进入IC1，然后从S1端出来，沿第二层的导线经R1端进入IC2，然后进入GND层，经红色路径回到电源负极。
但在高频时，PCB所呈现的分布特性会对信号产生很大影响。我们常说的地回流就是高频信号中经常要遇到的一个问题。当S1到R1的信号线中有增大的电流时，外部的磁场变化很快，会使附近的导体感应出一个反向的电流。如果第三层的地平面是完整的地平面的话，那么会在地平面上会有一个蓝色虚线标示的电流；如果TOP层有一个完整的电源平面的话，也会在顶层有一个沿蓝色虚线的回流。此时信号回路有最小的电流回路，向外辐射的能量最小，耦合外部信号的能力也最小。(高频时的趋肤效应也是向外辐射能量最小，原理是一样的。)
由于高频信号电平和电流变化都很快，但是变化周期短，需要的能量并不是很大，所以芯片是和离芯片最近的退耦电容取电的。当C1足够大，而且反应又足够快 (有很低的ESR值，通常用瓷片电容。瓷片电容的ESR远低于钽电容。)，位于顶层的橙色路径和位于GND层的红色路径可以看成是不存在的(存在一个和整板供电对应的电流，但不是与图示信号对应的电流)。
由以上两式，我们可以看出远端串扰总噪声由于容性和感性耦合的极性关系而相互消减，即远端串扰是可以消除的。在PCB布线中，带状线(Stripline) 电路更能够显示感性和容性耦合之间很好的平衡，其前向耦合能量极小；而对于微带线(Microstfip)，与串扰相关的电场大部分穿过的是空气，而不是其它的绝缘材料，因此容性串扰比感性串扰小，导致其前向耦合是一个小的负数。这也就是通常设计中，常忽略远端串扰的干扰，而较着重于近端串扰改善的原因。
在实际设计中，PCB的有关参数(如厚度，介电常数等)以及线长、线宽、线距、传输线与地平面的位置和电流流向都会影响c、l、Cm、Lm、L、的大小，而信号频率和器件的上升/下降时间决定了 。
在这里我们不做这些参数对串扰影响的定量分析，有关这些参数的相互关系及对串扰影响的程度，详见其它相关参考文献。
2.4串扰的变化趋势
互感与互容的大小影响着串扰的大小，从而等价地改变传输线特征阻抗与传播速度。同样，传输线的几何形状在很大程度上影响着互感与互容的变化，因此传输线本身的特征阻抗对这些参数也有影响。在同一介质中，相对低阻抗的传输线与参考平面(地平面)间的耦合更加强烈，相对地与邻近传输线的耦合就会弱一些，因而低阻抗传输线对串扰引起的阻抗变化更小一些。
3 串扰导致的几种影响
在高速、高密度PCB设计中一般提供一个完整的接地平面，从而使每条信号线基本上只和它最近的信号线相互影响，来自其它较远信号线的交叉耦合是可以忽略的。尽管如此，在模拟系统中，大功率信号穿过低电平输入信号或当信号电压较高的元件(如TTL)与信号电压较低的元件(如ECL)接近时，都需要非常高的抗串扰能力。在PCB设计中，如果不正确处理，串扰对高速PCB的信号完整性主要有以下两种典型的影响。
3.1串扰引起的误触发
信号串扰是高速设计所面临的信号完整性问题中一个重要内容，由串扰引起的数字电路功能错误是最常见的一种。
图 4是一种典型的由串扰脉冲引起的相邻网络错误逻辑的传输。干扰源网络上传输的信号通过耦合电容，在被干扰网络和接收端引起一个噪声脉冲，结果导致一个不希望的脉冲发送到接受端。如果这个脉冲强度超过了接收端的触发值，就会产生无法控制的触发脉冲，引起下一级网络的逻辑功能混乱。
3.2串扰引起的时序延时
在数字设计中，时序问题是一个重要考虑的问题。图5显示了由串扰噪声引起的时序问题。图下半部分是干扰源网络产生的两种噪声脉冲(Helpful图5串扰噪声导致的延时glitch和Unhelpful glitch)，当噪声脉冲(helpful glitch)叠加到被干扰网络，就引起被干扰网络信号传输延时减少；同样，当噪声脉冲(Unhelpful glitch)叠加到被干扰网络时，就增加了被干扰网络正常传输信号的延时。尽管这种减少网络传输延时的串扰噪声对改善PCB时序是有帮助的，但在实际 PCB设计中，由于干扰源网络的不确定性，这种延时是无法控制的，因而对这种串扰引起的延时必须要加以抑制。
如图2所示，往C方向的前向干扰能量，是和入射电压及每个互感分量Lm成正比，因为所有前向干扰能量几乎同时抵达C点，所以前向干扰能量与两传输线的互感总量成正比，传输线平行的长度越长，所产生的互感总量就越大，前向干扰能量也随即增加；然而往D点的后向干扰能量与往C点的前向干扰能量不同的是，虽然两者耦合的总区域是一样的，但每个互感变压器所感应的干扰分量是依序到达D，后向干扰能量的有效时间长达2Tp(Tp为传播延时)，随着线路平行长度的延长 (即互感增加)，后向串扰的幅度大小是不会变化的，而持续时间会增加。
2.2容性耦合
互容是产生串扰的另一个机制。互容Cm会对被干扰网络产生一个感应电流，该电流正比于干扰网络上电压的变化速率，由互容Cm产生的噪声计算公式为：
分布式耦合电容的耦合机制和分布式电感耦合相类似，区别在于耦合的极性。如图3所示，互容耦合的前向和后向干扰能量的极性都是正的。
2.3互感和互容的合成效应
通常，容性串扰和感性串扰是同时发生的。由文献，我们可以分别得到近端和远端的总串扰的计算公式，它们是分别由容性耦合和感性耦合叠加而成的。
近端串扰总噪声为：
远端串扰总噪声为：
其中，Z0，C，l，Cm，Lm，L，V0分别为传输线的特征阻抗、单位长度电容、单位长度电感，两传输线之间耦合电容、耦合电感，两传输线平行长度和电压峰值。