串扰是印刷电路板可能遇到的最隐蔽和最难解决的问题之一。最糟糕的是，它通常只发生在项目的最后阶段，而且通常是间歇性的或不易重现的。因此，对于每位电子设计师来说，尽早消除导致 PCB 上出现串扰的所有可能原因非常重要。串扰会对时钟信号、周期信号和控制信号、数据传输线和 I/O 产生不良影响。作为串扰的影响，电流和电压电平可能超过逻辑器件的典型阈值，产生“假”逻辑状态，从而影响许多电路的运行。串扰还会通过增加不必要的噪声对模拟信号产生负面影响。在接下来的段落中，我们将更详细地了解串扰的组成以及如何分析和消除这种现象，特别是当电路使用高频信号时。
PCB 上的串扰
串扰是指印刷电路板走线之间产生的不必要的电磁耦合。过大的电压或电流影响一条走线，会对另一条走线产生不必要的影响，即使两条走线之间没有物理接触。这种现象通常发生在走线间距不够的 PCB 上。这种现象的解释非常简单。电荷流穿过的导体总是会产生一定强度的电磁场。通过增加信号的速度（频率），它在相邻信号上引起耦合的可能性也会增加。更准确地说，耦合有两种类型：电感（或磁）耦合和电容（或电）耦合。
当电流流过导体（例如 PCB 走线）时，会产生磁场。当该磁场到达相邻的走线时，它会根据法拉第第二电磁定律感应出电动势（电压）。这种现象称为磁耦合或电感耦合，当感应电压足以损害同一走线上信号的完整性时，就会出现问题。
除了磁场之外，PCB 走线中流动的电流还会产生电场。当电流到达相邻走线时，会产生电容耦合，从而导致信号完整性下降。这种现象也称为寄生电容。图 1 显示了眼图，这是测量信号完整性最常用的技术之一。
图1：眼图截图。
除了位于同一层的相邻走线外，相邻层的平行走线之间也可能发生串扰。这种效应也称为宽边耦合，当两层之间被厚度较小的介电材料隔开时就会发生这种现象。该厚度可以低至 4 密耳 (0.1 毫米)，通常小于位于同一层上的两条走线之间的距离。我们很快就会看到，消除串扰的技巧之一是在承载高速信号的走线之间保持足够的空间。经验法则是在相邻走线之间插入至少为其宽度三倍的间隙。
串扰缓解技术
虽然串扰无法完全消除，但可以将其降低到对信号完整性没有重大影响的程度。了解串扰的组成后，我们可以分析 PCB 设计中常用的主要技术来减轻这种风险。
1. 走线之间的最小宽度
在定义 PCB 布局时，可以在所使用的 CAD 工具中设置一些规则，例如两条走线之间的最小距离以及每条走线与电路板上现有元件之间的最小距离。还可以设置与特定网表或将布线网表的区域相关的不同距离值。PCB 设计软件应用程序通常包括一些功能，可以使用这些功能指定差分信号对的宽度和距离，或者可以在哪些 PCB 层上布线网表以及走线可以采用的首选方向。网上还有几个计算器能够估算微带线或带状线走线的串扰程度。要充分考虑的一般规则是，电感和电容耦合都会随着走线之间距离的增加而减小。
2. 保持相邻层上的走线垂直
PCB 层应以这样的方式配置：穿过相邻层的信号方向相互垂直，绝对避免它们的走线平行。也有人说，如果在一层上走线遵循“从北到南”的方向，那么在相邻层上走线应遵循“从东到西”的方向。这种简单的预防措施可让您最大限度地减少宽边耦合的影响。图 2 显示了此技术的图形表示：左侧是应避免的布局，右侧是应应用的布局。
图 2：交替相邻层上的走线方向。
3. 使用接地平面
在两个相邻的信号层之间插入一个接地平面（或者，一个电源平面）是个好主意。这样做可以进一步降低发生宽边耦合的可能性。此解决方案具有双重优势，既可以增加层间距离，又可以为信号层提供更好的接地返回路径。在图 3 中，我们可以看到一个经典的四层 PCB，分为两个信号层（外部）、一个用于接地平面（0V）的内部层和一个用于电源的内部层。
图 3：多层 PCB 示例（来源：Micron）。
4. 利用接地回路
虽然这似乎与前面所说的相矛盾，但减少串扰的另一种技术恰恰在于利用走线之间存在的平行性，将接地回路与高频信号耦合。事实上，由于接地回路与信号具有相同的幅度但方向相反，因此消除了影响，从而减少了串扰。
5. 使用差分信号
另一种确保信号完整性、最大限度减少串扰影响的方法是使用差分信号，即两条幅度相同但极性相反的信号线形成一个高速信号。由于接收信号是两条信号线电压之间的差分，并且电磁噪声对两条线的影响相同，因此即使存在显著的外部噪声，信号也能保持高完整性。建议在差分信号对和其他 PCB 走线之间保持尽可能大的距离。经验法则是选择至少为走线宽度三倍的距离。
6、减小平行走线的宽度
在所有无法避免走线间平行的情况下，必须保证它们的宽度尽可能的短，从而减小耦合的程度。
7. 将高频信号与其他走线隔离 高频
信号（例如时钟）必须尽可能远离承载其他信号的走线。即使在这种情况下，也可以应用经验法则，选择最小距离等于走线宽度的三倍。
8. 隔离异步信号
异步信号（如复位或中断线）应使用尽可能远离高频信号的走线。异步信号通常放置在电源线附近或控制开关的信号附近，因为这些信号仅在电路操作的某些阶段使用，而不是连续使用。
结论
串扰会对电路的运行造成非常严重的后果，尤其是在使用高频信号时。电子市场的当前趋势是需要更小、更快的电路，其结果是 PCB 走线的可用空间越来越小，并且彼此之间的距离越来越近。这方面，尤其是当走线彼此平行时，增加了一条走线内产生的电磁场干扰另一条走线信号的可能性。因此，对于 PCB 设计师来说，采用最合适的技术来消除或尽量减少串扰产生的影响非常重要。
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