中心議題：

• PCB串擾可能造成的後果
• 研究PCB串擾的方法
• PCB串擾模型
• PCB串擾類型與耦合機製
• PCB串擾的表征

解決方案：

• 前向串擾測量
• 反向串擾測量

隨著通信、視頻、網絡和計算機技術領域中數字係統的運行速度日益加快
，對此類係統中的印刷電路板(PCB)的品質要求也越來越高。早期的PCB設計在麵臨信號頻率日益增高和脈衝上升時間日益縮短的情況下已無法保證係統性能和工作要求。在目前的PCB設計中
，我們需要利用傳輸線理論對PCB及其組件(邊緣連接器、微帶線和元器件插座)進行建模。隻有充分了解PCB上串擾產生的形式
、機製和後果，並采用相應技術最大程度地加以抑製，才能幫助我們提高包含PCB在內的係統的可靠性。本文主要圍繞PCB設計展開，但相信文中所討論的內容也有助於電纜和連接器的表征等其它應用場合使用。

1、串擾可能造成的後果

PCB設計師之所以關心串擾這一現象，是因為串擾可能造成以下性能方麵的問題：

• 噪聲電平升高
• 有害尖峰毛刺
• 數據邊沿抖動
• 意外的信號反射

這幾個問題中哪些會對PCB設計有所影響取決於多方麵因素

，比如板上所用邏輯電路的特性
、電路板的設計、串擾的模式(反向還是前向)以及幹擾線和被幹擾線兩邊的端接情況。下文提供的信息可幫助讀者加深對串擾的認識和研究，從而減小串擾對設計的影響。

2、研究串擾的方法

為了盡可能減小PCB設計中的串擾，我們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的可製造性要求傳輸線阻抗得到良好控製。在電路板設計完成之後，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範圍。

2.1 時域測量方法
為了測量與分析串擾，可采用頻域技術觀察頻譜中時鍾的諧波分量與這些諧波頻率上EMI最大值之間的關係。不過，對數字信號邊沿(從信號電平的10%上升到90%所用的時間)進行時域測量也是測量與分析串擾的一種手段，而且時域測量還有以下優點：數字信號邊沿的變化速度
，或者說上升時間，直接體現了信號中每個頻率成分有多高。因此，由信號邊沿定義的信號速度(即上升時間)也能夠幫助揭示串擾的機製。而上升時間可直接用於計算拐點頻率。本文將使用上升時間測量方法對串擾進行闡述和測量。

2.2 拐點頻率
為wei保bao證zheng一yi個ge數shu字zi係xi統tong能neng可ke靠kao工gong作zuo
，設she計ji人ren員yuan必bi須xu研yan究jiu並bing驗yan證zheng電dian路lu設she計ji在zai拐guai點dian頻pin率lv以yi下xia的de性xing能neng。對dui數shu字zi信xin號hao的de頻pin域yu分fen析xi表biao明ming，高gao於yu拐guai點dian頻pin率lv的de信xin號hao會hui被bei衰shuai減jian
，因yin而er不bu會hui對dui串chuan擾rao產chan生sheng實shi質zhi影ying響xiang，而er低di於yu拐guai點dian頻pin率lv的de信xin號hao所suo包bao含han的de能neng量liang足zu以yi影ying響xiang電dian路lu工gong作zuo。拐guai點dian頻pin率lv通tong過guo下xia式shi計ji算suan：
fknee = 0.5/ trise

3
、PCB串擾模型

本節給出的模型為不同形式串擾的研究提供了一個平台，並闡明了兩條微帶線之間的互阻抗是如何在PCB上造成串擾的。圖1是一個概念性的互阻抗模型。

圖1：PCB上兩根走線之間的互阻抗。

[page]
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打出上升沿時產生

，並沿著走線進行傳播：
1．互電容Cm和互電感Lm都會向相鄰的被幹擾線上耦合或“串擾”一個電壓。
2．串擾電壓以寬度等於幹擾線上脈衝上升時間的窄脈衝形式出現在被幹擾線上。
3．在被幹擾線上
，串擾脈衝一分為二
，然後開始向兩個相反的方向傳播。這就將串擾分成了兩部分：沿原幹擾脈衝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、串擾類型與耦合機製

根據前麵討論的模型，下麵將介紹串擾的耦合機製，並討論前向和反向這兩種串擾類型。

4.1 電容耦合機製
電路中的互電容引起的幹擾機製：

• 幹擾線上的脈衝到達電容時，會通過電容向被幹擾線上耦合一個窄脈衝。
• 該耦合脈衝的幅度由互電容的大小決定。
• 然後
  ，耦合脈衝一分為二，並開始沿被幹擾線向兩個相反的方向傳播。

圖2：電容耦合式串擾。

4.2 電感或變壓器耦合機製
電路中的互電感會引起如下的幹擾：

• 在幹擾線上傳播的脈衝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
  ，然後在被幹擾線上感應出電流尖峰來。
• 變壓器會在被幹擾線上產生兩個極性相反的電壓尖峰：負尖峰按前向傳播，正尖峰按反向傳播。

圖3：電感耦合式串擾。

[page]
4.3 反向串擾
上述模型導致的電容和電感耦合串擾電壓會在被幹擾線的串擾位置產生累加效應。所導致的反向串擾包含以下特性：

• 反向串擾是兩個相同極性脈衝之和。
• 由於串擾位置隨幹擾脈衝邊沿傳播，反向幹擾在被幹擾線源端呈現為低電平
  、寬脈衝信號，並且其寬度與走線長度存在對應關係。
• 反射串擾幅度獨立於幹擾線脈衝上升時間，但取決於互阻抗值。

圖4：反向串擾。

4.4 前向串擾
需要重申的是，電容和電感耦合式串擾電壓會在被幹擾線的串擾位置累加。前向串擾包括以下一些特性：

• 前向串擾是兩個反極脈衝之和。因為極性相反，因此結果取決於電容和電感的相對值。
• 前向串擾在被幹擾線的末端呈現為寬度等於幹擾脈衝上升時間的窄尖峰。
• 前向串擾取決於幹擾脈衝的上升時間。上升沿越快，幅度越高
  ，寬度就越窄。
• 前向串擾幅度還取決於線對長度：隨著串擾位置隨幹擾脈衝邊沿的傳播，被幹擾線上的前向串擾脈衝將獲得更多的能量。

圖5：前向串擾。

5
、串擾的表征

本節將通過幾個單層PCB上的測量實例來研究串擾的產生機製和前麵介紹的幾種串擾類型。

5.1 儀器和設置
為了在實驗室中有效地測量串擾
，應該使用測量帶寬為20 GHz的寬帶示波器，並通過一個高品質脈衝發生器輸出一個上升時間等於示波器上升時間的脈衝驅動被測電路。同時采用高品質電纜、端接電阻和適配器連接被測PCB。

泰克8000B係列儀器中安裝有80E04電子采樣模塊，是成功測量串擾的理想儀器組合。80E04是一款雙通道采樣模塊，包含有一個TDR階躍電壓產生器，能產生上升時間為17ps的250mv窄脈衝，並以50歐姆的源阻抗輸出。測試人員隻需連接待測PCB即可。
[page]
5.2 前向串擾測量
如果隻是測量前向串擾，需將所有走線進行端接以消除反射。前向串擾應在良好端接的被幹擾線的末端測量。儀器設置見圖6。

圖6：前向串擾的測量。

如(ru)果(guo)互(hu)電(dian)感(gan)比(bi)互(hu)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)的(de)串(chuan)擾(rao)大(da)，那(na)麼(me)在(zai)幹(gan)擾(rao)脈(mai)衝(chong)的(de)上(shang)升(sheng)沿(yan)處(chu)串(chuan)擾(rao)脈(mai)衝(chong)應(ying)為(wei)負(fu)，寬(kuan)度(du)等(deng)於(yu)幹(gan)擾(rao)脈(mai)衝(chong)的(de)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)。圖(tu)中(zhong)儀(yi)器(qi)顯(xian)示(shi)的(de)就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)幅(fu)度(du)為(wei)48.45 mV的負脈衝(C4)。幹擾脈衝幅度為250 mV，而串擾幅度將近50 mV，因此該幹擾脈衝的快速邊沿在被幹擾線上產生了20%的串擾。見圖7。

圖7：測量得到的前向串擾。

由於測量時來自80E04的輸入階躍電壓具有非常快的邊沿，因而得到的串擾過大，並不能代表實際邏輯電路中的驅動信號。例如，如果驅動信號來自一個1.5 ns的CMOS門，產生的串擾脈衝就更寬，幅度也更小。要使測量能夠體現出這種情況，可利用儀器的定義算法(Define Math)功能在信號捕獲之後增加一個低通濾波器。圖7中的M1波形(白色)給出的就是經濾波後的測量結果。需要注意的是M1在垂直方向比未經濾波的波形敏感10倍。

盡jin管guan數shu學xue分fen析xi已yi經jing證zheng明ming
，信xin號hao捕bu獲huo後hou進jin行xing低di通tong濾lv波bo這zhe種zhong技ji術shu的de效xiao果guo與yu對dui連lian接jie到dao線xian上shang的de幹gan擾rao脈mai衝chong進jin行xing物wu理li濾lv波bo的de效xiao果guo是shi相xiang同tong的de，但dan以yi下xia幾ji步bu測ce量liang卻que更geng有you說shuo服fu力li：

• 測量由兩個上升沿一快一慢而幅度相同的幹擾脈衝導致的串擾。
• 然後將上升沿快的幹擾脈衝導致的串擾通過低通濾波變至慢上升沿幹擾脈衝的串擾
  
  ，最後檢查結果。

圖8給出了儀器上顯示的測量結果：

圖8：前向串擾的後濾。

黃色波形(R2)是慢沿幹擾脈衝
，紅色波形(R3)是由它導致的串擾。
綠色波形是快沿TDR脈衝(R1)，白色波形(R4)是由它導致的串擾。
藍(lan)色(se)波(bo)形(xing)是(shi)由(you)白(bai)色(se)波(bo)形(xing)濾(lv)波(bo)後(hou)減(jian)緩(huan)了(le)脈(mai)衝(chong)上(shang)升(sheng)沿(yan)得(de)到(dao)的(de)波(bo)形(xing)，它(ta)代(dai)表(biao)的(de)就(jiu)是(shi)對(dui)串(chuan)擾(rao)進(jin)行(xing)後(hou)濾(lv)波(bo)的(de)結(jie)果(guo)。圖(tu)中(zhong)顯(xian)示(shi)的(de)紅(hong)色(se)和(he)藍(lan)色(se)兩(liang)個(ge)串(chuan)擾(rao)波(bo)形(xing)是(shi)以(yi)相(xiang)同(tong)的(de)電(dian)壓(ya)刻(ke)度(du)顯(xian)示(shi)的(de)。
[page]
5.3 反向串擾測量

圖9：反向串擾的測量。

單測反向串擾時
，需將幹擾線與被幹擾線均端接一個50 歐姆的電阻以消除反射。測量應在被幹擾線的左端進行，如圖9所示。反射脈衝的幅度很低，寬度是線長的兩倍，因為在走線末端的串擾必定要傳回走線源端。圖10顯示的是反向串擾的測量情況，圖中快沿幹擾脈衝產生的串擾約為?? mV
，相當於幹擾脈衝幅度的4%。反向串擾的幅度與幹擾脈衝的上升時間無關。圖10中，下麵兩個波形為慢沿脈衝產生的串擾和快沿脈衝產生的串擾經後濾波得到的波形
，它們的幅度都是6.5 mV。走線線長與幹擾脈衝上升時間的差距使得慢沿脈衝產生的反向串擾幅度較小。

圖10：測量得到的反向串擾。

因為此時幹擾脈衝的上升時間要大於走線的線長，故脈衝邊沿沿走線方向回傳到走線源端時還未到達幅度頂點。圖11所示為利用一台200 ps上升時間發生器(DG2040)和80E04采樣模塊的17 ps發生器的輸出作為幹擾脈衝時得到的串擾測量結果。圖中顯示的3個串擾波形均采用5 mV/div的電壓刻度。

圖11：反向串擾與信號上升時間是相互獨立的。

其中，白色波形是上升時間為17 ps的幹擾脈衝產生的串擾經波形運算功能後濾波(post filtering)到200ps上shang升sheng時shi間jian的de結jie果guo。這zhe些xie測ce量liang都dou證zheng實shi
，除chu非fei幹gan擾rao脈mai衝chong的de上shang升sheng時shi間jian超chao過guo走zou線xian長chang度du
，否fou則ze該gai上shang升sheng時shi間jian並bing不bu能neng影ying響xiang反fan向xiang串chuan擾rao。而er如ru果guo幹gan擾rao脈mai衝chong的de上shang升sheng時shi間jian超chao過guo走zou線xian長chang度du，那na麼me產chan生sheng的de反fan向xiang串chuan擾rao幅fu度du較jiao小xiao
，因yin為wei在zai此ci情qing況kuang下xia脈mai衝chong邊bian沿yan走zou過guo整zheng條tiao走zou線xian都dou還hai不bu能neng達da到dao幅fu度du頂ding點dian。

6、電路設計對串擾的影響

雖然通過仔細的PCB設she計ji可ke以yi減jian少shao串chuan擾rao並bing削xue弱ruo或huo消xiao除chu其qi影ying響xiang，但dan電dian路lu板ban上shang仍reng可ke能neng有you一yi些xie串chuan擾rao殘can留liu。因yin此ci，在zai進jin行xing電dian路lu設she計ji時shi，還hai應ying采cai用yong合he適shi的de線xian端duan負fu載zai，因yin為wei線xian端duan負fu載zai會hui影ying響xiang串chuan擾rao的de大da小xiao和he串chuan擾rao隨sui時shi間jian的de弱ruo化hua程cheng度du。