“串擾”主要來自兩相鄰導體之間所形成的互感與互容。串擾會隨著PCB的導線布局密度增加而越顯嚴重，尤其是長距離總線的布局，更容易發生串擾的現象。這種現象是經由互容與互感將能量由一個傳輸線耦合到相鄰的傳輸線上而產生的。串擾依發生位置的不同可以分成“近端串擾”和“遠端串擾”。

4.2.1　互容

我們知道“假若兩個導體之間存在電位差并且形成一個電場，那么這兩個導體間就會產生一個電容”。將這個概念推廣到PCB上，在PCB的兩相鄰通路或導線上，假如其中一個通路上存在一個電壓，則該電壓所形成的電場就會影響到相鄰的通路。如果兩個相鄰的通路或導線上都存在電壓，則這兩個電壓所形成的電場會彼此影響對方。這種相互影響的系數稱為“互容”，互容的單位為法拉，或者是安培·秒/伏特（A·s/V）。如圖4-5所示，兩相鄰通路與導線間若存在電位差就會產生互容，二個通路間的“互容耦合”可以簡單地以一個連接在通路1和2之間的分布電容C ₁₂ 來表示。分布電容C ₁₂ 會注入一個耦合電流i _M （又稱互容電流）到通路2，i _M 的大小和通路1上電壓u ₁ 的變化率成正比，即

式中，C ₁₂ 為通路1、2所形成的互容，其值與通路1、2之間的距離成反比； 為通路1上電壓u ₁ 的變化率。

利用圖4-5中的“互容耦合”等效電路可以計算出經C ₁₂ 從通路1耦合到通路2的噪聲電壓u _N 。互容所造成的噪聲電壓與頻率的關系 ^[13] 如圖4-6所示。從圖4-6中可以看到，當u ₁ 的頻率低于 時，噪聲電壓uN=jωRC12u1，其中uN是頻率的函數；當頻率超過 以后， ，這時的u _N 會維持在某個值，不再隨著頻率增加而持續變大。

一個互容的測量實例 ^[9] 如圖4-7所示，測量的是兩個1/4W電阻之間的互容。脈沖信號加在電阻R ₂ 上，利用示波器可觀察R ₃ 上由互容引起的干擾電壓。

4.2.2　互感

1．兩相鄰回路與導線間的“互感耦合”

我們知道“一根導線上假若有電流流過，會在導線周圍形成一個磁場”，當相鄰的兩個回路上均有電流流經，則這兩個電流所產生的磁場會相互感應，產生“互感”。“互感”隨著兩個回路之間距離的增大而變小。“互感”的單位為伏特·秒/安培（V·s/A），或者是亨利（H）。

兩相鄰回路與導線間的“互感耦合”等效電路如圖4-8所示，兩個回路間的互感的效果就好像是在兩個回路間連接上了一個變壓器。在圖4-8中，回路1上的電流i ₁ 經由互感M感應一個噪聲電壓u _N 到回路2，其中所感應的噪聲電壓會和回路1上的電流i ₁ 的變化率成正比，即

式中，M為回路1和2所形成的互感； 為回路1的電流變化率。

2．PCB導線的電感

如圖4-9所示，在PCB表面有一根布線寬度為W（m），長度為L（m）的信號線，在該PCB的里面有接地平面。這根信號線的單位長度的實際等效電感L _eff （H）可以用下式 ^[14] 求得：

式中，μ ₀ 為真空中的導磁率（4π×10 ^-7 H/m）；h為布線和接地面之間的距離（m）；W為布線的寬度（m）；t為布線的厚度（m）；l為導線長度。從式（4-12）可以看出，如果使電路板的厚度變薄，即縮小布線和接地面之間的距離，則能夠減小電感。

對于如圖4-10所示的表面有兩根信號線，里面有接地平面的PCB，在兩根信號線之間產生的互感 ^[14] 如下式所示：

式中，μ ₀ 為真空中的磁導率（4π×10 ^-7 H/m）；u=l/W；v=2d/W；布線寬度為W（m），它們之間的間隔為d（m）；l ₀ 為單位長度。

從式（4-13）可知，兩根信號線之間的距離越小，互感M越大。

3．互感的測量

一個互感的測量實例 ^[9] 如圖4-11所示，測量的是兩個1/4W電阻之間的互感。脈沖信號加在電阻R _A 上，利用示波器可觀察R _B 上由互感引起的干擾電壓。輸入和輸出電纜與電阻垂直連接，垂直連接可以盡可能地使電纜相互隔離，減少直接的饋通。脈沖發生器使用了反向端接。

電阻R _A 產生的磁場的一部分磁力線包圍了電阻R _B 。包圍電阻R _B 的磁通量占總磁通量的比例由兩個電阻本身的物理尺寸和位置決定，并且是固定的。包圍電阻R _B 的磁力線被認為穿過了由電阻R _B 形成的回路，穿過這一回路的總磁通量的任何變化都會在該回路上產生一個干擾電壓。

對于磁場耦合，產生的噪聲電壓是串聯在接收導線中的；而對于電場耦合，噪聲電流是在接收導線和地間產生的。利用這一差異，在測試中可以區分是電場耦合還是磁場耦合：測量電纜一端阻抗上的噪聲電壓，同時減小電纜另一端的阻抗，若測量到的噪聲電壓減小了，則是電場耦合；若測量到的噪聲電壓增大了，則是磁場耦合。

4.2.3　拐點頻率和互阻抗模型

1．拐點頻率

對數字信號的頻域分析表明高于拐點頻率的信號會被衰減，因而不會對串擾產生實質影響，而低于拐點頻率的信號所包含的能量足以影響電路工作，這是因為串擾可能造成噪聲電平升高、產生有害尖峰毛刺、數據邊沿抖動、意外的信號反射等問題。為保證一個數字系統能可靠工作，設計人員必須研究并驗證所設計電路在拐點頻率以下的性能。

拐點頻率可以通過下式計算，即

f _knee = 0.5/ t _rise

為了盡可能減小PCB設計中的串擾，必須在容抗和感抗之間尋找平衡點，力求達到額定阻抗值（因為PCB的可制造性要求傳輸線阻抗得到良好控制）。當PCB設計完成之后，板上的元件、連接器和端接方式決定了哪種類型的串擾會對電路性能產生多大的影響。利用時域測量方法，通過計算拐點頻率和理解PCB串擾（Crosstalk-on-PCB）模型，可以幫助設計人員設置串擾分析的邊界范圍。

2．互阻抗模型

PCB上兩根走線之間的互阻抗模型如圖4-12所示。互阻抗沿著兩條走線呈均勻分布。串擾在數字門電路向串擾線輸出脈沖信號的上升沿時產生，并沿著走線進行傳播。

① 互電容C _m 和互電感L _m 都會向相鄰的被干擾線上耦合或“串擾”一個電壓。

② 串擾電壓以寬度等于干擾線上脈沖上升時間的窄脈沖形式出現在被干擾線上。

③ 在被干擾線上，串擾脈沖一分為二，然后開始向兩個相反的方向傳播。這就將串擾分成了兩部分：沿原干擾脈沖傳播方向傳播的前向串擾和沿相反方向向信號源傳播的反向串擾。

4.2.4　串擾類型

1．電容耦合式串擾

電容耦合式串擾如圖4-13所示。當干擾線上的脈沖到達時，電路中的互容會使該脈沖通過電容向被干擾線上耦合一個窄脈沖（該耦合脈沖的幅度由互容的大小決定），然后耦合脈沖一分為二，并開始沿被干擾線向兩個相反的方向傳播。

2．電感耦合式串擾

電感耦合式串擾如圖4-14所示。該電路中的互感在干擾線上傳播的脈沖將對呈現電流尖峰的下個位置進行充電。這種電流尖峰會產生磁場，然后在被干擾線上感應出電流尖峰來。變壓器會在被干擾線上產生兩個極性相反的電壓尖峰：負尖峰沿前向傳播，正尖峰沿反向傳播。

3．反向串擾

電容耦合式串擾和電感耦合式串擾產生的串擾電壓會在被干擾線的串擾位置產生累加效應，所導致的反向串擾（如圖4-15所示）具有以下特性。

① 反向串擾是兩個相同極性脈沖之和。

② 由于串擾位置沿干擾脈沖邊沿傳播，故反向干擾在被干擾線源端呈現為低電平、寬脈沖信號，并且其寬度與走線長度存在對應關系。

③ 反射串擾的幅度獨立于干擾線脈沖上升時間，但取決于互阻抗值。

4．前向串擾

需要重申的是，電容和電感耦合式串擾產生的串擾電壓會在被干擾線的串擾位置累加。前向串擾（如圖4-16所示）具有以下一些特性。

① 前向串擾是兩個反極性脈沖之和。因為極性相反，所以產生的串擾結果取決于電容和電感的相對值。

② 前向串擾在被干擾線的末端呈現為寬度等于干擾脈沖上升時間的窄尖峰。

③ 前向串擾的寬度取決于干擾脈沖的上升時間。上升時間越短（上升越快），幅度越高，寬度就越窄。

④ 前向串擾的幅度還取決于線對長度。隨著串擾位置沿干擾脈沖邊沿的傳播，被干擾線上的前向串擾脈沖將獲得更多的能量。

4.2.5　減小PCB上串擾的一些措施

在PCB上減小串擾的一些措施如下所示。

① 通過合理的布局使各種連線盡可能地短。

② 由于串擾程度與施擾信號的頻率成正比，所以布線時應使高頻信號線（上升沿很短的脈沖）遠離敏感信號線。

③ 應盡可能增加施擾線與受擾線之間的距離，而且避免它們平行。

④ 在多層板中，應使施擾線和受擾線與接地平面相鄰。

⑤ 在多層板中，應將施擾線與受擾線分別設計在接地平面或電源平面的相對面。

⑥ 盡量使用輸入阻抗較低的敏感電路，必要時可以用旁路電容降低敏感電路的輸入阻抗。

⑦ 地線對串擾具有非常明顯的抑制作用，在施擾線與受擾線之間布一根地線，可以將串擾降低6～12dB。如圖4-17所示為采用地線和接地平面減少串擾電壓的影響。

⑧ 應利用防止走線之間串擾的3W規則。3W規則的含義是：當有接地平面時，對于寬度是3W的信號線，如果其他走線的中心與它的中心之間的距離大于3W，就能避免串擾，如圖4-18所示。

⑨ 在PCB上，走線之間的互容和互感與走線的幾何尺寸、位置，以及電路板材料的介電常數有關。由于這些參數都比較確定，所以可以對電路板上導線之間的串擾進行比較精確的計算，幾乎所有的電磁兼容分析軟件都具有這個功能。

⑩ 雖然通過仔細的PCB設計可以減少串擾并削弱或消除其影響，但電路板上仍可能有一些串擾殘留。因此，在進行電路板設計時，還應采用合適的線端負載，因為線端負載會影響串擾的大小和串擾隨時間的弱化程度。

要想改善由互容所產生的串擾干擾，可以從兩方面著手：一是減少互容C _m ，其做法是在兩相鄰的傳輸線中間加進屏蔽措施，如圖4-19所示，即在兩個銅箔通路中間加裝一個接地屏蔽通路來改善互容的干擾；二是在時序規格允許的情況下，增加狀態轉換較頻繁的信號的上升時間。

互感所產生的串擾干擾如下所示：

式中，Z _a 為干擾線的特性阻抗；L _m 為互感；t _r 為輸入到干擾線的入射電壓的上升時間。

從式（4-14）可知，當干擾線上的電流產生劇烈變化時，互感會感應一個電動勢到受擾線上。這個電動勢（也就是串擾）的大小和兩并行傳輸線間所形成的互感成正比，和干擾線上電流的上升時間成反比。

屏蔽措施對消除互感的干擾是沒有效果的，只有減小流經互感的電流所形成的回路面積才是改善互感所產生的串擾較為簡易可行的方法。從分析可知，互感會受兩導線與接地平面間的距離的影響，兩導線之間的互感量不僅與兩導線之間的距離成反比，而且和導線與接地平面間的距離成正比。如圖4-20所示，降低導線與接地平面間的平行高度（也即減小電流的回路面積），可以減少兩導線間的互感量；另外，也可以將兩相鄰的平行導線布局成如圖4-21所示的方式，這種方式可以減少兩導線間相互交鏈的區域及兩導線間的互感量 ^[10] 。