信号完整性（Signal Integrity，简称 SI）是指在电路或通信系统中，信号在传输路径上保持其原始形态和信息内容不受损失、失真或干扰的能力，是对于信号质量的一系列度量标准。
从广义上讲，信号完整性指的是在高速产品中由互连线引起的所有问题。它主要研究当互连线与数字信号的电压、电流波形相互作用时，其电气特性如何影响产品性能。
这些问题可以归结为以下三类（这三类问题站之间也存在着相当大的重叠）：
1）信号完整性：反射、串扰、延迟和时序等问题
2）电源完整性：电压降、电源噪声、轨道塌陷等问题
3）电磁兼容：产品自身产生的电磁辐射和外界引入的电磁干扰
以上列出的信号完整性/电源完整性/电磁兼容领域的问题都可以归结为以下六种类型：
1）单一网络的信号失真
2）互连线中频率相关损耗引起的上升边退化
3）两个或多个网络之间的串扰
4）作为串扰特殊形式的地弹和电源弹
5）电源和地分配中的轨道塌陷：
6）来自整个系统的电磁干扰和辐射
一、单一网络的信号完整性
互连线引起单一网络上信号失真的问题分为三个方面：反射、信号质量问题、时序问题。
1.1 反射
引起反射的唯一原因是信号遇到的瞬时阻抗发生改变。
当信号从驱动器输出时，构成信号的电流和电压将互连线看成一个阻抗网络。当信号沿着网络传播时，它不断感受着互连线引起的的瞬时阻抗变化。如果互连线的瞬时阻抗恒定，则信号不会失真。一旦阻抗发生了改变，信号就会在变化处产生反射，并会不断地积累失真信号。如果阻抗变化程度较大，那么失真将会导致误触发：
当信号在传输时碰到比目前阻抗高时，会发生正反射，使信号边沿的幅度增加，出现过冲；
当信号在传输时碰到比目前阻抗低时，会发生负反射，使信号边沿的幅度减小，出现台阶。
突变
任何改变横截面或网络几何结构的特征都会改变信号所感受到的阻抗。引起阻抗变化的所以特征成为突变，每个突变将导致信号原始的纯净形状在某种程度上发生失真。
使信号所感受到的阻抗发生改变的情况：
1）互连线末端
端接方式及其影响：
①开路情况：其末端的瞬时阻抗为无穷大，此时反射系数为 1，即所有入射电压全部反射，而且幅度与入射电压相同，极性也相同，会在末端产生振铃现象，严重影响信号质量。
②短路情况：当传输线的末端与返回路径相短路时，末端阻抗为 0，反射系数为 - 1，会产生与入射电压幅度相同但极性相反的反射电压，同样会对信号产生严重的干扰。
③即使传输线的终端进行了端接，但如果端接电阻的值与传输线的特性阻抗不匹配，仍然会有反射发生。只有当端接电阻等于传输线的特性阻抗时，才能实现完全的端接匹配，消除反射
2）线宽变化
线宽变化会使瞬时阻抗发生了改变，部分信号将沿着原传播方向反射，而另一部分将继续传播，但幅度有所改变。两个区域的阻抗差异越大，反射信号量就越大。
信号的反射有一个参数叫作反射系数（ρ），计算公式如式：
Vreflected—反射电压
Vincident—入射电压
Z1—信号最初所在区域的瞬时阻抗
Z2—信号所在区域的瞬时阻抗
ρ—反射系数
例：如果1V信号沿特性阻抗为50Ω的传输线传播，其受到的瞬时阻抗为50Ω，则当它进入特性阻抗为75Ω的区域时，反射系数为（75-50）/（75+50）=20%，反射电压为20% x 1V =0.2V。
线宽变化引起阻抗突变主要有以下原因：
①电阻变化
当互连线的线宽变窄时，其横截面积减小，在材料和长度不变的情况下，电阻会增大；反之，线宽变宽时电阻减小。这种电阻的变化会导致信号在传输过程中感受到的阻抗发生变化，进而引起阻抗突变。
线宽变化会使导线中的电流密度发生改变。较窄的线宽会使电流密度增加，这可能会导致电子在导线中的散射加剧，从而增加了电阻和阻抗。而且电流密度的变化还可能影响导线周围的磁场分布，进一步影响阻抗。
②电容变化
互连线可以看作是与参考平面构成的平行板电容的一部分。当线宽变化时，平行板电容的极板面积发生改变，从而导致电容值变化。线宽变窄时，极板面积减小，电容值降低；线宽变宽时，电容值增加。电容的变化会影响信号的传输速度和阻抗，因为电容对交流信号有阻碍作用，电容值的改变会使信号在传输线上的相位和幅度发生变化，进而导致阻抗突变。
除了平行板电容外，互连线的边缘还存在边缘电容。线宽变化时，边缘的形状和长度也会改变，从而影响边缘电容的大小。边缘电容的变化同样会对信号的传输产生影响，导致阻抗的变化。
③电感变化
互连线中的电流会产生磁场，形成环路电感。当线宽变化时，电流的路径和环路的面积会发生改变，从而导致环路电感的变化。线宽变窄时，环路面积减小，电感值降低；线宽变宽时，电感值增加。电感对信号的变化有阻碍作用，电感值的变化会导致信号的相位和幅度发生变化，进而引起阻抗突变。
如果互连线周围还有其他的导线或回路，线宽变化还会影响它们之间的互感。互感的变化会导致信号之间的耦合程度发生改变，从而影响信号的传输和阻抗。
3）层转换
层转换引起阻抗突变主要有以下原因：
①介质常数改变
不同层的板材可能具有不同的介电常数。当信号从一层传输到另一层时，由于介电常数的变化，会导致信号传播速度和相位的变化，从而引起阻抗突变。例如，从介电常数较高的层转换到介电常数较低的层，信号的传输速度会突然加快，导致阻抗降低；反之，阻抗会升高。
②参考平面不连续
如果层转换过程中参考平面出现断点、缝隙或不平整等情况，会使信号的返回路径发生变化。原本均匀的电流分布被破坏，信号在参考平面边缘会发生反射和散射，进而引起阻抗的突变。比如，在多层板中，当信号从一个有完整参考平面的层进入到一个参考平面存在缺口的层时，就会产生这种情况。
③层间耦合变化
在不同层之间，信号线与相邻的信号线或平面之间存在着耦合电容和耦合电感。当信号进行层转换时，这些耦合参数会发生改变，从而影响信号的传输阻抗。如果层间的耦合较强，可能会导致信号的能量泄漏到其他线路上，同时也会使自身的阻抗发生变化；而如果层间的耦合较弱，信号可能会受到外部干扰的影响，同样会引起阻抗的不稳定。
过孔是常见的层间连接方式，但在过孔处，信号线的截面积、周围的介质环境等都会发生变化。过孔本身具有一定的寄生电容和电感，这会导致信号在过孔处的阻抗与正常传输线的阻抗不同，从而产生阻抗突变。此外，如果过孔的设计不合理，如孔径过大或过小、焊盘形状不规则等，会加剧阻抗突变的程度。
从设计角度来看，一个过孔主要由两个部分组成，一是中间钻孔（drill hole）,二是钻孔周围焊盘区。这两部分尺寸大小决定了过孔大小。很显然，在高速,高密度PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有更多布线空间，此外，过孔越小，其自身寄生电容也越小，更适合用于高速电路。但孔尺寸减小同时带来了成本增加，而且过孔尺寸不可能无限制减小，它受到钻孔(drill)和电镀（plating）等工艺技术限制：孔越小，钻孔需花费时间越长，也越容易偏离中心位置；且当孔深度超过钻孔直径6倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜。比如，如果一块正常6层PCB板厚度（通孔深度）为50Mil，那么，一般条件下PCB厂家能提供钻孔直径最小只能达到8Mil。随着激光钻孔技术发展，钻孔尺寸也可以越来越小，一般直径小于等于6Mils过孔，我们就称为微孔。在HDI（高密度互连结构）设计中经常使用到微孔，微孔技术可以允许过孔直接打在焊盘上（Via-in-pad），这大大提高了电路性能，节约了布线空间。
过孔在传输线上表现为阻抗不连续断点，会造成信号反射。一般过孔等效阻抗比传输线低12%左右，比如50欧姆传输线在经过过孔时阻抗会减小6欧姆（具体和过孔尺寸，板厚也有关，不是绝对减小）。但过孔因为阻抗不连续而造成反射其实是微乎其微，其反射系数仅为：(44-50)/(44 50)=0.06，过孔产生问题更多集中于寄生电容和电感影响。
4）返回路径屏平面上的间隙
返回路径屏平面上的间隙引起阻抗突变主要有以下原因：
①参考平面不连续
返回路径平面上的间隙会引起阻抗突变。信号的返回路径通常会选择与驱动路径阻抗最小的路径。当返回路径平面上存在间隙时，原本完整的参考平面被切断，信号的返回路径被迫改变。例如，在正常的情况下，信号的返回电流会在与信号线紧邻的完整参考平面上回流，但当遇到间隙时，返回电流需要绕过间隙，从其他路径回流，这就增加了电流回流的路径长度和难度，从而导致阻抗增大。
如上图，返回路径中如果没有那个隔离间隙，返回路径是连续阻抗是一致的；但是有那个隔离间隙，导致返回路径的阻抗不连续。在B段，返回路径与驱动路径之间阻抗将相对A段而增大，从而造成信号路径上阻抗不连续。阻抗不连续将造成信号电平的突变、反射，而这种突变又会带来信号完整性、EMI等各方面的问题。
除阻抗不连续外，B段存在的另一个问题是信号返回路径上的串扰，由于间隙的存在，许多驱动路径与上图信号平行的其他信号，返回时阻抗最小的路径都是B段，使B段成为串扰的集中点，同样不利于信号完整性。
②分布电容减小
在没有间隙的完整参考平面上，信号线与参考平面之间存在着相对均匀的分布电容。间隙的出现使得极板面积S减小，导致电容值降低。电容的减小会影响信号的传输速度和相位，从而引起阻抗的变化。
5）接插件
接插件引起阻抗突变的原因主要有以下几方面：
①接触电阻变化
表面不平整：接插件的金属触点并非绝对光滑，在微观层面存在凹凸不平。当接插件插拔次数增加或受到振动、冲击等影响时，触点表面的氧化层、污染物等会导致接触电阻增大。例如，在频繁插拔的 USB 接口中，如果触点表面有灰尘或氧化，会使信号传输时的接触电阻不稳定，进而引起阻抗突变。
接触压力不足：如果接插件的弹片弹力不够或在使用过程中弹片变形，会导致触点之间的接触压力不足。这会使电子在通过触点时遇到的阻力增大，产生额外的电阻，导致信号传输的阻抗发生变化。比如一些质量较差的音频插头，插入设备后由于接触压力不够，可能会出现声音断断续续的情况，这就是因为接触电阻不稳定导致的阻抗突变。
②电容效应变化
寄生电容改变：接插件本身存在寄生电容，其大小与接插件的结构、材料等因素有关。当接插件连接或断开时，其周围的电场分布会发生变化，从而导致寄生电容的改变。这种电容的变化会对信号的传输产生影响，尤其是在高频信号传输时，会引起阻抗的突变。例如，在高速数字电路中，接插件的寄生电容可能会对信号的上升沿和下降沿产生影响，导致信号失真和阻抗变化。
电荷存储与释放：在信号传输过程中，接插件的触点会存储一定的电荷。当接插件断开时，这些存储的电荷需要通过其他路径释放，这个过程可能会导致电压的瞬间变化，从而引起阻抗突变。在一些对电磁兼容性要求较高的电子设备中，接插件的电荷存储与释放可能会引发电磁干扰，进而影响设备的正常运行。
③电感效应变化
环路电感变化：当信号通过接插件传输时，会在接插件周围产生磁场，形成环路电感。接插件的形状、尺寸、引脚长度等因素都会影响环路电感的大小。如果在信号传输过程中，接插件的位置、方向或连接方式发生变化，环路电感也会相应地改变，从而导致信号的阻抗发生变化。例如，在电脑主板上的一些接插件，如果安装位置不当或与其他元件的距离过近，可能会导致环路电感增加，影响信号的传输质量。
电流变化引起的电感变化：当通过接插件的信号电流发生变化时，会产生变化的磁场，这可能会导致接插件的电感发生变化。根据电磁感应定律，变化的磁场会在接插件中产生感应电动势，进而影响信号的传输和阻抗。在一些大功率电子设备中，接插件的电感变化可能会对电源的稳定性产生影响。
④机械结构因素
热膨胀冷缩：接插件在不同的温度环境下会发生热膨胀或冷收缩现象。如果接插件的材料热膨胀系数不同，或者接插件与其他部件之间的配合间隙不合理，在温度变化时可能会导致接插件的松动或接触不良，从而引起阻抗突变。例如，在高温环境下工作的电子设备，如汽车发动机舱内的接插件，如果设计不合理，可能会因为热膨胀而导致接触电阻增大，影响信号传输。
应力集中：在一些恶劣的工作环境中，接插件可能会受到外力的冲击、振动或拉伸等作用。这些外力可能会导致接插件的局部应力集中，使接插件的结构和性能发生变化，进而引起阻抗突变。比如在航空航天领域，飞行器上的接插件需要承受巨大的加速度和振动力，如果接插件的设计强度不够，可能会在应力集中的部位出现断裂或接触不良的情况。
6）路由拓扑的改变，比如分支线、T形线或桩线
分支结构导致并联效应
当信号传输至分支点时，相当于电路发生了并联。原本单一的传输路径突然变为多个路径，信号的分流会使瞬时阻抗发生改变。例如在 T 形分支结构中，主线的信号一部分会继续沿主线向前传播，另一部分会分流到支线上，这种分流造成了阻抗的不连续，从而引起阻抗突变。即使是链式分支结构，也会因分支的存在而产生类似的影响，分支越多，阻抗变化可能越复杂，且链路分支越靠近源端，因后续分支反射的影响，波形会越差。
T 形线的特殊反射与叠加问题
以常见的 DDR 正反贴颗粒设计中的 T 形分支结构为例，两根分支线上的信号会不断地入射和反射并相互叠加。当分支终端的信号反射回分支节点时，会与后续来自源端的信号相互叠加，形成复杂的电压变化，呈现出台阶状的波形。这种多次反射和叠加会导致信号在不同分支线上的幅度和相位发生变化，进而引起阻抗的不稳定和突变。并且如果 T 形分支两边不等长，还会使两分支波形不同步，对于像 DDR 并行信号这样的高速信号来说，会影响眼图的抖动，进一步加剧信号质量的下降。
桩线产生额外的电容和电感效应
桩线是一段短的、未连接到任何其他布线的导线，它会产生额外的电容和电感。从电容的角度来看，桩线与周围的导体形成了额外的寄生电容，根据电容的计算公式，这会改变信号的容性负载，进而影响信号的传输速度和相位，导致阻抗突变。从电感的角度，桩线本身的电感以及它与周围磁场的相互作用，会使信号在通过时产生感应电动势，对信号产生阻碍作用，改变了信号的传输特性，引起阻抗的变化。
减小阻抗突变问题的方法时让整个网络中的信号所感受到的阻抗保持不变。
1）优化布线设计
保持走线一致性：在 PCB 设计中，确保信号线的宽度、厚度以及与参考平面的距离保持一致。例如，对于同一网络的信号线，其线宽应尽量保持恒定，避免突然变宽或变窄，这样可以防止因线宽变化导致的特性阻抗改变。如果需要改变走线方向，应采用平滑的弧形或 45°角拐弯，避免直角拐弯，因为直角拐弯会引起阻抗突变和信号反射。
控制走线长度：尽量缩短信号的传输路径，减少不必要的过孔、分支和桩线等。过孔会导致信号的阻抗不连续，增加信号的反射和衰减；分支和桩线会使信号的能量分散，降低信号的质量。如果无法避免使用过孔，应尽量减小过孔的直径，并采用合适的过孔结构，如在过孔周围添加接地焊盘，以减少过孔对信号的影响。
合理规划拓扑结构：选择合适的拓扑结构，如菊花链拓扑、星型拓扑等，避免复杂的分支结构。如果必须使用分支结构，应尽量使分支的长度相等，以减少信号在不同分支上的延迟差异和阻抗不匹配。
2）端接技术的应用
串联端接：在信号源端串联一个电阻，使源端的阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，从而吸收信号的反射能量，减少反射波的产生。串联端接电阻的值应根据传输线的特征阻抗和信号源的输出阻抗来确定，一般选择与传输线特征阻抗接近的电阻值。这种方法适用于单点对单点的连接，但会增加信号的衰减，因此需要在信号质量和功耗之间进行权衡。
并联端接：在信号的终端并联一个电阻，使负载的阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，将反射信号的能量吸收到地中，避免反射信号再次进入传输线。并联端接电阻的值应等于传输线的特征阻抗，这种方法适用于多点总线结构，但会增加电路的功耗。
3）参考平面的处理
完整参考平面：确保信号的参考平面（如电源平面或地平面）完整、连续，避免出现裂缝、开槽或间隙等不连续的情况。参考平面的不连续性会导致信号的返回路径受阻，引起阻抗突变和信号反射。如果需要对参考平面进行切割，应尽量减小切割的尺寸，并在切割处添加过孔或桥接，以保持参考平面的完整性。
隔离不同信号：对于不同类型的信号（如高速信号、模拟信号、数字信号等），应尽量将它们的参考平面分开，避免不同信号之间的干扰和耦合。如果无法完全分开，应采用隔离措施，如在它们之间添加接地屏蔽层或隔离带，以减少信号的相互影响。
4）元件的选择与布局
选择合适的元件：选择具有较低寄生电容和电感的元件，以减少元件对信号的影响。例如，在高频电路中，应选择封装小、引脚短的元件，以降低引脚的寄生电感；同时，选择介质损耗低的电容、电感等元件，以减少信号的能量损耗。
合理布局元件：将元件按照功能模块进行分组布局，尽量减少元件之间的连线长度和交叉。对于关键的元件，如时钟发生器、处理器等，应将其放置在靠近信号源的位置，以减少信号的传输延迟和失真。同时，要注意元件的摆放方向，使其引脚的方向与信号的流向一致，以减少引脚的寄生效应。
1.2 信号质量问题
即导线和介质中与频率相关的损耗，引起上升边的退化。（高频信号受影响大）
电阻损耗
信号在传输线上传输时，会因为传输线的电阻而产生能量损耗。随着信号频率的增加，电阻损耗也会增大。这种损耗会导致信号的幅值减小，上升边变缓，从而降低信号质量。
介质损耗
传输线周围的介质也会对信号产生损耗。介质的介电常数、损耗因数等参数会影响信号的传播速度和衰减程度。高频信号在介质中传输时，介质损耗会更加明显，导致信号的上升边退化。
趋肤效应
在高频情况下，电流会在导体表面集中，形成趋肤效应。这会增加导体的有效电阻，从而导致信号的损耗增加，上升边变缓。
上升边退化到接近信号的单位间隔（Unit Interval，UI）时，1比特的信息将会泄露到下一个甚至下下个比特，这种效应成为符号键干扰（Inter-Symbol Interference，ISI）。在数据率等于1Gbps或更高的高速串行链路中，他将是引起问题的主要原因。
1.3 时序问题
错位（Skew）
两个或者多个信号路径之间的时延差称为错位。
错位产生的原因主要有以下几点：
1）导线长度差异：即使在同一网络中，不同信号路径所经过的导线长度可能不同。较长的导线会使信号传输所需的时间更长，从而导致不同路径的信号到达接收端的时间不一致，产生时延差，即错位现象。例如，在一个复杂的电路板上，从芯片到不同接口的布线长度可能存在差异，这就容易导致信号在传输过程中出现错位。
2）介质属性变化：信号在不同介质中传播的速度是不同的。如果信号路径中的介质发生变化，比如从一种介电常数的材料进入另一种介电常数不同的材料，信号的传播速度会发生改变，进而引起时延的变化，导致错位。例如，信号在从空气进入印刷电路板（PCB）的板材时，由于板材的介电常数与空气不同，信号的传播速度会发生变化。
3）器件特性差异：网络中的器件，如电阻、电容、电感等，对不同频率的信号具有不同的响应特性。对于高速信号，这些器件可能会引起信号的延迟和畸变，从而加剧不同路径之间的时延差。此外，不同的逻辑门电路、芯片等也会因其内部的电气特性和处理速度的差异，导致信号传输的延迟不同。
4）拓扑结构影响：网络的拓扑结构，如星型、总线型、树形等，会影响信号的传输路径和方式。在一些复杂的拓扑结构中，信号可能需要经过更多的节点或分支才能到达目的地，这会增加信号的传输时间和不确定性，导致不同路径之间的时延差增大。
错位的影响：
1）信号完整性受损：错位会导致信号在接收端无法准确地按照发送端的顺序进行重组，造成信号的混乱和失真。这可能会使接收设备无法正确识别和解析信号，从而影响数据的准确传输和系统的正常运行。例如，在高速数字通信中，错位可能会导致数据位的错误读取，增加误码率
2）时序错误：在时序要求严格的系统中，如时钟信号的传输和同步，错位可能会破坏信号的时序关系。例如，在时钟分布网络中，如果不同路径的时钟信号存在错位，会导致各个接收模块无法在同一时刻接收到准确的时钟信号，从而影响整个系统的协同工作和性能
3）系统性能下降：由于错位引起的信号失真和时序错误，可能会导致系统的性能下降。例如，在计算机系统中，内存与处理器之间的数据传输如果出现错位，可能会导致处理器等待数据的时间延长，降低系统的运行速度；在通信系统中，错位可能会导致数据传输速率降低，影响通信效率。
错位的解决方法：
1）匹配路径长度：通过调整信号路径的布线长度，使不同路径的长度尽可能相等或保持在一定的比例关系，以减少时延差。在 PCB 设计中，可以采用蛇形走线等方式来增加较短路径的长度，使其与其他路径的长度相匹配。
2）优化介质选择：选择合适的介质材料，并尽量保持信号路径中所经过的介质一致，以减少因介质变化而引起的信号传播速度差异。对于需要使用不同介质的情况，可以通过仿真和测试等手段，精确计算和补偿介质对信号时延的影响。
3）均衡器件特性：选用特性一致或相近的器件，以减少器件对信号延迟的影响。对于无法避免的特性差异较大的器件，可以通过添加补偿电路或进行校准等方法，来平衡不同器件之间的延迟差异。
4）采用合适的拓扑结构：根据具体的应用需求和系统特点，选择合适的网络拓扑结构，以减少信号传输过程中的节点和分支数量，降低信号的传输延迟和不确定性。同时，也可以采用一些拓扑优化技术，如分层架构、分布式架构等，来提高系统的信号传输效率和稳定性。
二、串扰
串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰。这种干扰是由于两条信号线间的耦合，即信号线之间互感和互容耦合引起的。
2.1 容性耦合和感性耦合
2.1.1 容性耦合
容性耦合（Capacitive Coupling），也被称为电场耦合，是指电磁骚扰源通过电路或系统之间的电场并以互电容（耦合电容）形式作用于敏感对象的电磁耦合方式。
任何两个具有不同电位的导体之间都会产生电容，即两个不同电位的导体之间存在一个电场。同理，传输线 A 与传输线 B 之间也存在电容（传输线 A、B 之间的寄生电容），这就是互容（Cm）。当传输线 A 与传输线 B 之间的电压（电场）变化时，符合电容的充放电模型，相当于从传输线 A 通过互容 Cm 注入电流 Im 到传输线 B，从而产生容性耦合。
上图中C1表示走线和参考平面之间形成的电容，C2表示两走线之间形成的电容。从电容的角度来看，当一条走线上电压变化时，相当于电容C2两端电压变化，电容C2充电邻近的导体（电容的另一端）上必然也会有电流，串扰随之产生。
影响因素
1）距离：容性耦合的程度与导体之间的距离成反比。增加导体之间的距离可以减小它们之间的电容，从而降低容性耦合。例如，在电路板设计中，如果两个布线之间的距离过近，就容易发生容性耦合，导致信号串扰。
2）频率：信号的频率也是影响容性耦合的重要因素。随着频率的增加，容性耦合的作用会更加明显。这是因为高频信号的电场变化更快，更容易在导体之间产生耦合电容，从而导致更强的容性耦合。
3）电压：电压的变化也会影响容性耦合。高电压信号会产生更强的电场，从而增加导体之间的耦合电容，导致更严重的容性耦合。
4）相对面积：导体的相对面积越大，它们之间的电容就越大，容性耦合也就越强。在电子设备中，大面积的导电平面或元件可能会与其他线路或元件产生较强的容性耦合。
5）介质材料：不同的介质材料具有不同的介电常数，而介电常数会影响电容的大小。一般来说，介电常数较高的介质材料会增加导体之间的电容，从而增强容性耦合。在多层电路板中，不同的板材和绝缘材料的选择会影响各层线路之间的容性耦合情况。
抑制措施
1）增加间距：通过增加导体之间的距离，可以减小它们之间的电场强度，从而降低耦合电容。这是最直接且有效的方法之一。
2）屏蔽隔离：使用接地的屏蔽层或金属外壳将敏感电路包围起来，可以有效地隔离外界电场的干扰。屏蔽层应连接到系统的接地点，以确保其有效性。
3）调整方位：调整导体的相对位置或方向，使它们的电场方向相互垂直或错开，可以减少电场的相互作用，从而降低容性耦合。
4）降低电压电流：降低信号的电压和电流可以减小电场的强度，从而减少容性耦合的影响。
5）滤波处理：在信号传输路径上添加滤波器，可以滤除由容性耦合产生。
2.1.2 感性耦合
感性耦合是指电磁骚扰源通过电路或系统之间的磁场并以互电感（耦合电感）形式作用于敏感对象的电磁耦合方式。
当两个电路或系统之间存在电流变化时，会在其周围产生磁场。如果这些磁场相互交叠或靠近，就会在另一个电路或系统中感应出电压或电流，从而产生感性耦合。例如，当一个线圈中的电流发生变化时，它会产生一个变化的磁场，这个磁场可能会在附近的另一个线圈中感应出电流。
以变压器为例，初级线圈中流过电流时，会在铁芯中产生磁通，该磁通会在次级线圈中感应出电动势，这就是典型的感性耦合现象。
影响因素
1）距离：感性耦合的强度与电路之间的距离成反比。距离越近，磁场的强度越大，感性耦合就越强；反之，距离越远，感性耦合就越弱。例如，在电路板上，相邻的两条布线之间的距离越近，它们之间的感性耦合就越明显。
2）方位：电路的相对方位也会影响感性耦合的大小。如果两个电路的平面相互平行，那么它们之间的感性耦合会较强；如果将其中一个电路旋转一定角度，使其与另一个电路垂直，就可以大大减小它们之间的感性耦合。例如，在电子设备中，通过调整电源变压器和输出变压器的铁芯方位使其相互垂直，可以减小电源变压器对输出变压器的磁场耦合。
3）电流大小：电流的变化速率越快、幅度越大，产生的磁场变化就越剧烈，从而导致更强烈的感性耦合。因此，在高频电路中，由于电流变化迅速，感性耦合的问题通常更为突出。
4）电路面积：电路的有效面积越大，它在磁场中受到的影响就越大，感性耦合也就越强。所以，在设计电路时，应尽量减小敏感电路的面积，以降低感性耦合的风险。
5）介质材料：不同的介质材料具有不同的磁导率，而磁导率会影响磁场的强度和分布。一般来说，磁导率较高的介质材料会增加导体之间的互感，从而增强感性耦合。
抑制措施
1）增加距离：增大骚扰源和敏感对象之间的距离是减小感性耦合最有效的方法之一。例如，在电路板上合理布局元件，使容易产生干扰的线路与其他敏感线路保持一定的距离。
2）调整方位：调整电路或元件的方位，使它们的磁场方向相互垂直或错开，可以减少磁场的相互作用，从而降低感性耦合。
3）采用屏蔽措施：使用磁屏蔽材料或导电材料制成的屏蔽罩，可以将骚扰源的磁场限制在一定范围内，减少对敏感对象的干扰。屏蔽层应连接到系统的接地点，以确保其有效性。
4）减小回路面积：通过优化电路设计，减小敏感回路的有效面积，可以降低其在磁场中的感应程度，进而减小互电感和感性耦合。
5）滤波处理：在信号传输路径上添加滤波器，可以滤除由感性耦合产生的高频噪声。滤波器的选择应根据具体应用场景和需求来确定。
2.1.2 近端串扰和远端串扰
近端串扰（NEXT）
发生在发送端附近的接收端点，是指当信号在一个网络中传输时，由于电磁耦合或电容耦合等原因，在相邻的传输线之间产生的不期望的干扰现象。这种干扰会导致信号质量下降，影响数据的准确传输
远端串扰（FEXT）
发生在接收端附近的信号线上，是信号通过电磁感应或电容耦合等方式泄漏到邻近的接收端信号线上而产生的干扰现象。它主要影响接收端的信号质量，可能导致信号失真或通信失败。
串扰引起的噪声电压
近端串扰引起的噪声电压总是正的，是互容（Cm）和互感（Lm）引起的电流之和。
远端串扰引起的噪声电压通常是负的，是互容（Cm）和互感（Lm）引起的电流之差。
远端串扰引起的噪声电压是正的情况：
1）Lm的电流大于Cm电流
2）远端开路
三、轨道塌陷噪声
轨道塌陷噪声指的是电源轨上的电压瞬时跌落现象。在电子电路中，电源轨为芯片等元器件提供稳定的电压供应，就像一条“轨道”，而当这条“轨道”上的电压出现突然的下降或上升，就类似于“轨道塌陷”，会影响信号的质量和电路的性能。
产生原因
1）大负载突变：当电路中的负载突然增加，例如大量的逻辑门同时翻转或多个器件同时启动，需要从电源汲取大量电流时，电源可能无法立即提供足够的电流，导致电源轨电压瞬间下降，从而引发轨道塌陷噪声。
2）电源内阻和电感效应：电源内部存在一定的电阻和电感，这在电流急剧变化时会产生压降，造成电源轨电压暂时性塌陷。
3）去耦电容不足或布局不合理：电源去耦电容的主要作用是为电路提供瞬态电流。如果去耦电容容量不足或放置位置不合理，将不能有效地吸收这些瞬态电流，从而引起轨道塌陷噪声。
4）电源恢复时间过长：电源模块本身对负载变化响应。
影响
1）信号完整性受损：在数字电路中，电源轨电压的波动会导致逻辑门限值不稳定，进而影响信号的质量和稳定性，可能导致误触发或数据错误。
2）模拟电路性能下降：对于敏感的模拟电路，如放大器、ADC 等，电源轨的稳定至关重要，任何微小的电压塌陷都可能导致其增益、线性度、信噪比等关键参数恶化。
3）器件寿命缩短与损坏风险增大：长期存在的电源轨塌陷可能导致元器件工作在超出规格范围的状态，加速老化，甚至引发热失控等问题，增加损坏的风险。
抑制措施
1）优化电源分配网络设计：合理选择电源滤波元件、优化去耦电容配置以及提高电源模块动态响应能力等措施，以有效抑制轨道塌陷噪声，保证电路的正常运行和可靠性。
2）采用低阻抗稳压模块：使用低阻抗稳压模块（Voltage Regulator Module，VRM）可以降低电源分配系统的阻抗，减少电压降，从而减轻轨道塌陷噪声。
3）封装技术改进：通过封装时安排多个很短的电源和地引脚、使用超薄的高介电常数的叠层等技术，有助于将轨道塌陷减到最小。
四、电磁干扰
4.1 电磁骚扰的耦合机理概述
电磁骚扰传播或耦合，通常分为两大类：即传导骚扰传播和辐射骚扰传播。通过导体传播的电磁骚扰，叫传导骚扰；通过空间传播的电磁骚扰，叫辐射骚扰。
传导骚扰
这种耦合发生在导体之间，当一条线路中的电流发生变化时，它会引起电磁场的波动，这个波动的电磁场可以影响到并行的线路，并在其中引起感应电压。这种感应电压可能会导致干扰信号的产生，从而覆盖或改变原来的有用信号。电感性耦合通常出现在电缆、线束以及电缆管道中的并行线路之间。
辐射骚扰
辐射耦合是指通过空间传播的电磁骚扰。当设备发射电磁波时，这些波可以穿过空间并影响其他设备。这种耦合方式不需要物理接触，因此它可以跨越较远的距离。辐射骚扰通常涉及到天线、无线通信设备以及其他发射或接收电磁波的设备。
4.2 电磁兼容问题的主要表现
电磁辐射干扰
信号完整性问题可能导致信号波形失真，如出现振铃、反射、近端串扰等，这些失真的信号可能会产生额外的电磁辐射，干扰其他电子设备的正常工作。
对外部电磁场的敏感度增加
当信号完整性出现问题时，设备对外部电磁场的敏感度可能会增加，更容易受到外界电磁干扰的影响，导致设备性能下降或出现故障。
4.3 产生电磁兼容问题的原因
产生电磁兼容问题的原因有很多，常见的有：
信号频率高与上升边短
随着电子技术的发展，信号的频率越来越高，上升边越来越短。例如，时钟频率超过100MHz或者信号上升边缘小于1ns时，信号完整性问题就不能再被忽视。高频信号的快速变化会产生较强的电磁辐射，同时也容易受到外界电磁场的影响。
电路设计不合理
不良的电路设计可能导致信号完整性问题，进而引发电磁兼容问题。例如，电源和地引线的设计不合理，会增加回路内的电源和地引线的长度，导致回流路径的面积增大，从而增加电磁辐射和对外界干扰的敏感度。
布线不当
布线的长度、宽度、间距以及走线方式等都会影响信号完整性和电磁兼容性。不合理的布线可能导致信号传输延迟、串扰等问题，进而产生电磁兼容问题。例如，平行线布线可能会导致互感耦合，增加串扰噪声。
4.4 电磁干扰三要素
电磁干扰的三要素是：干扰源、耦合路径和敏感设备。
干扰源：这是电磁干扰的起点，指的是产生电磁能量的设备或系统，如开关电源、电动机、雷达等。干扰源可以是故意发射的电磁波，也可以是无意中产生的。
耦合路径：也称为传播途径，是干扰信号从源头传播到受体的途径。这些途径可以是导线、空间辐射、电容耦合、感应耦合等。耦合路径的存在使得干扰能够传递到其他位置。
敏感设备：也称为受体，是指那些对电磁干扰敏感的设备或系统。当敏感设备的抗干扰能力低于干扰源通过耦合通道传递的干扰水平时，就会产生电磁干扰效应。
4.5 基本的电磁兼容控制技术
基本的电磁兼容控制技术包括接地、屏蔽、滤波和合理设计电路等方法。
接地
为电路提供一个公共的参考零电位，确保系统稳定运行，通过将机壳接地，可以泄放积累的静电，防止内部火花放电造成的干扰。接地的好坏则直接影响到设备内部和外部的电磁兼容性。
屏蔽
使用导电材料包裹敏感设备或电路，以阻挡外部电磁波的干扰，屏蔽技术还包括隔离，即在干扰源和受体之间设置屏障，减少干扰传播。屏蔽主要用于切断通过空间的静电耦合、感应耦合形成的电磁噪声传播途径，这三种耦合又对应于静电屏蔽、磁场屏蔽与电磁屏蔽，衡量屏蔽的质量采用屏蔽效这一指标。
滤波
安装滤波器来阻止不希望的频率信号进入设备，或从设备传出，滤波器可以是简单的电容、电感或者是复杂的电子滤波装置。滤波是在频域上处理电磁噪声的一种技术，其特点是将不需要的一部分频谱滤掉。
4.6 常见的解决电磁兼容问题的方法
优化电路设计
合理的电路设计是解决信号完整性和电磁兼容问题的关键。可以采取合适的布局方式、选择适当的线路长度匹配和规避信号环流等措施，以提高信号完整性，减少电磁辐射和对外界干扰的敏感度。
改进布线策略
遵循EMC设计原则，如减小布线长度、增加线宽、合理设置线间距、采用差分线等，以减少信号传输延迟、串扰等问题，降低电磁辐射和对外界干扰的敏感度。
选择合适的元件
选择质量好、参数合适且相互兼容的电子元件，以确保信号的稳定传输和设备的正常运行。同时，对于一些对电磁兼容性要求较高的元件，可以采取额外的屏蔽措施。
添加滤波电路
在电源和信号线上添加滤波电路，如电容、电感等，可以滤除高频噪声和杂波，提高信号的质量，减少电磁辐射和对外界干扰的影响。
进行屏蔽处理
对设备进行屏蔽处理，如使用金属外壳、屏蔽罩等，可以有效地阻挡外部电磁干扰的进入，同时也可以减少设备自身产生的电磁辐射对其他设备的影响。