信号完整性的讲义

1、信号完整性的含义................................................................................................................ - 1 - 2、一种新的产品设计方法学.................................................................................................... - 2 - 3、测量的作用 ........................................................................................................................... - 3 - 4、带宽和上升时间的关系........................................................................................................ - 3 - 5、用阻抗描述信号完整性........................................................................................................ - 4 - 6、方块电阻 ............................................................................................................................... - 4 - 7、去耦电容 ............................................................................................................................... - 4 - 8、单位长度电容 ....................................................................................................................... - 4 - 9、电源分布系统和回路电感.................................................................................................... - 5 - 10、信号 ..................................................................................................................................... - 5 - 11、传输线的阻抗 ...................................................................................................................... - 5 - 12、信号的返回路径.................................................................................................................. - 7 - 13、地弹噪声 ............................................................................................................................. - 7 - 14、特性阻抗与频率的关系...................................................................................................... - 7 - 15、信号的反射 ......................................................................................................................... - 8 - 16、传输线的串扰...................................................................................................................... - 8 - 17、近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT) ............................................................................... - 8 - 18、近端串扰 ............................................................................................................................. - 9 - 19、远端串扰 ............................................................................................................................. - 9 - 20、减小远端串扰的原则：.................................................................................................... - 10 - 21、串扰和时序 ....................................................................................................................... - 11 - 22、开关噪声 ........................................................................................................................... - 11 -

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关于信号完整性

1、信号完整性的含义

信号完整性是指在高速产品中由互连线引起的所有问题。它主要研究互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时其电器特性参数如何影响产品性能。所有这些问题分为以下三种影响和后果：（1）时序、（2）噪声、（3）电磁串扰（EMI）。本书主要讨论互连线的电器特性对数字信号波形所造成的不同影响，其中大部分是噪声问题。比如振铃、反射、近端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、衰减、容性负载等。

所有与信号完整性有关的效应都与下面四类特定噪声源中的一个有关： （1）、单一网络的信号完整性：在信号路径或返回路径上由于阻抗突变而引起的反射与失真

（2）、两个或多个网络间的串扰：和理想回路与非理想回路耦合的互电容、互电感 （3）、电源和地分配中的轨道塌陷：电源分配系统(PDS)中，在电源地网络中的阻抗压降

（4）、来自整个系统的电磁干扰和辐射

如果信号感受到的阻抗保持不变，则信号就保持不失真，但当阻抗发生变化，信号就会在变化处发生反射，并在通过互连线的剩余部分时产生失真，任何改变横截面或网络几何形状的特征都会改变信号感受到的阻抗，主要有以下几种情况：

（1）线宽变化、 （2）层转换、 （3）返回路径平面上的间隙、 （4）接插件、 （5）分支线、T形线或桩线、 （6）网络末端

减小阻抗突变的方法是让整个网络中的信号所感受到的阻抗保持不变，这个方法一般通过三个步骤实现：

（1） 使用线条阻抗为常量或者“可控”的电路板，这通常意味着使用均匀的传输线； （2） 提供使沿线阻抗保持不变的拓扑结构的布线规则；

（3） 在关键地方放置电阻来控制反射并设法使接收到的信号干净些。

减小互连线之间串扰的方法主要有以下几点： （1） 将可能发生串扰的两个网络尽量远离；

（2） 对于特性阻抗相同的导线，使用介电常数较小的材料；

（3） 使互连线尽可能地短，如使用芯片最小尺寸封装(CSP)和高密度互连线(HDI)。

当通过电源和地路径的电流发生变化时（如芯片输出翻转或核心门翻转时），在电源路径和地路径之间的阻抗上将产生一个压降。这个压降就意味着供给芯片的电压减小了，可以看作是电源与地间的电压减小或塌陷。

轨道塌陷噪声是在设计电路板的时候就已经存在了，要减小轨道塌陷噪声的影响，要在设计电路板的时候就要考虑，要设计一个完善的低阻抗的PDS要考虑以下特性：

（1） 相邻的电源和地分配层的介质应尽可能的薄，以使他们紧紧地靠近； （2） 低电感的去耦电容；

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（3） 封装时安排有多个很短的电源和地引脚； （4） 片内加去耦电容。

电磁干扰（EMI）问题有三个方面：噪声源、辐射传播路径和天线。即使噪声远远低于信号完整性噪声预算，它也会大到足以引起严重的辐射，因此电磁干扰问题是非常复杂的。产生辐射的大多数电压源来自电源和地分配网络。通常，减小轨道塌陷噪声的物理设计同时也能降低辐射。

减小辐射的方法有：

（1） 加屏蔽盒使得泄漏到某个天线上的噪声大为减小；

（2） 在所有的连接电缆上正确的使用铁氧体将明显地减小天线效应 （3） 使用低阻抗连接的屏蔽电缆将是减小EMI问题的有效办法。

以上四种噪声归纳一下如下表：

噪声种类 设计原则 信号质量 信号在经过整个互连线时所感受到的阻抗影响同 保持线条间的间隔大于最小值，并使线条与非理想返回路径间的互感最小 使电源/地路径的阻抗和I噪声最小 串扰 轨道塌陷 电磁干扰 使带宽以及地阻抗最小，采取屏蔽措施

由以上讨论可得出以下两个重要推论： 1、 随着信号上升沿的减小，以上讨论的四种问题将会变得更严重。前面讨论的所有信号完整性问题都是以电流或电压的变化速度来衡量的，通常指的是dI/dt或dV/dt，上升沿越短意味着dI/dt或dV/dt就越大。

2、 解决信号完整性的有效办法在很大程度上基于对互连线阻抗的理解，如果对阻抗有一个清晰的直觉认识，而且能把互连线的物理设计与互连线阻抗联系起来，那么在设计过程中就能消除许多信号完整性问题。

2、一种新的产品设计方法学

新的产品设计方法学有五个关键组成部分：

1、 理解信号完整性问题的起源和减小这些问题的总体方针； 2、 对于具体的定制产品，将总体方针转换成具体的设计规则；

3、 在设计周期的早期，创建元器件、关键网络和整个系统的电器电路模型并进行局部

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和系统及的仿真；

4、 对于成本、进度和风险，在设计周期的每个阶段尤其是初期，通过建模和仿真来优

化设计的性能；

5、 在整个设计周期中进行特征参数化测量以减少风险和提高质量预测的可信度。 为了预测电气性能——通常是指各节点的实际电压和电流波形，必须将物理设计转换成电器描述。这可以通过两个步骤来实现：将物理设计转换成等价的电路模型，然后用电路仿真器来预测各节点的电压与电流。另一种方法就是基于物理设计，是用电磁仿真器对各处的电场和磁场进行仿真。由电场和磁场可以得到互连线的行为模型，或者是将电场和磁场转换成电压和电流来显示其性能。

3、测量的作用

测量使设计师做到以下几点：

1、 验证设计过程 2、 为元器件创建模型

3、 对元器件影响系统性能的情况进行硬件仿真实测。这是确定预期性能的一种快

速方法，这种实测仿真不需要建立模型。

4、 通过测试对元器件的功能模块或系统进行联合调试。 以上四点贯穿在设计周期的每个阶段。

4、带宽和上升时间的关系

信号带宽和信号的上升时间之间的关系满足以下的关系：

BW0.35 RT式中：BW表示带宽，单位为GHz；RT表示信号的10%~90%上升时间，单位为ns。

对于互连线，其带宽(BW)可以解释为：如果理想方波传输通过该互连线，则低于BW的各个正弦波分量都能被传输，传输前后的幅度大致相同；但高于BW的分量的幅度就会变得不再是有效成分。也可以说，互连线的带宽是对互连线所能传输的信号最短上升时间的直接度量。定义互连线所能传输的最快上升沿为互连线的本征上升时间，那么，一个非理想方波通过互连线后的上升时间可近似为下式：

222RToutRTinRTinterconnect

式中：RTout表示输出信号的10-90上升时间

RTin表示输入信号的10-90上升时间 RTinterconnect0.35表示互连线的本征10-90上升时间

BWinterconnect由上式可推出：要使互连线对信号上升时间造成的增量不超过10%，互连线的本征上升时间就要小于该信号上升时间的50%，这是个简单的经验法则；或者从频域角度看，互连线的带宽应至少为该信号带宽的两倍。

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5、用阻抗描述信号完整性

1、任何阻抗突变都会引起电压信号的反射和失真，这是信号质量会出现问题。如果信

号所感受到的阻抗保持不变，就不会发生反射，信号也不会失真。衰减效应是由串联和并联阻抗引起的。

2、信号的串扰是由两条相邻的信号线（当然还有它们的返回回路）之间的电场和磁场

的耦合引起的，信号线间的互耦合电容和互耦合电感产生的阻抗决定了耦合电流的值。

3、电源供电轨道上的塌陷实际上与电源分布系统的阻抗有关。系统中必然流动着一定

的电流量以供给所有的芯片，并且由于在电源和地之间存在着阻抗所以当芯片电流切换时，就会形成压降。这个压降意味着电源轨道和地轨道从正常值向下塌陷。 4、最大的EMI根源是流经外部电缆的共模电流，此电流由地平面上的电压引起。在地

平面上返回路径的阻抗越大，电压降即地弹就越大，由它在激起辐射电流。减少电缆电磁干扰的最常用的方法是在电缆周围使用铁氧体扼流圈，这主要是为了增加共模电流所受到的阻抗，从而减少共模电流。

6、方块电阻

方块电阻是针对大面积传输线来讲，其定义为：

Rsq其中：是电阻率；t是线条厚度。

那么，一般意义上的电阻可以表示为：

t

RdtwtddRsq ww式中：d为线条长度；w为线条宽度。

如果线条为等宽等厚，那么方块电阻是个定值。线条电阻仅与其自身的长宽比有关。这样方块电阻可解释为，长宽比为1时的线条电阻，它仅与线条的材料和厚度有关。

7、去耦电容

为了减小电源分布系统中的电压轨道塌陷，可在电源和地之间加上多个去耦电容。在一定时间t内电容C可以阻止电源电压的下降。如果芯片的功率损耗为P电源电压为V则典雅的下降量达到电源电压5%时的时间近似为：

V2tC0.05 （1）

P通常需要足够大的去耦电容使t足够大。

8、单位长度电容

对传输线（微带线），单位长度电容可由下式计算：

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CL0.67(1.41r)0.67(1.41r) 5.98hhlnln7.50.8wtw式中：CL表示单位长度电容，单位为pF/in

r表示绝缘材料的相对介电常数

h表示介质厚度，单位为mil

w表示线宽，单位为mil

t表示导体的厚度，单位为mil

由以上公式可以看到，微带线的单位长度电容仅与介质材料和导体的横截面形状有关，而与其他参数无关。

9、电源分布系统和回路电感

要减小轨道塌陷噪声，就必须使电源分布系统的阻抗比较小，而减小PDS阻抗，有两条设计原则：低频时，添加低阻抗的去耦电容；高频时，使去耦电容和芯片焊盘间的回路电感最小，以保持它们之间的阻抗低于一定值。其中去耦电容值由（1）式决定。在高频时，见效去耦电容阻抗的唯一方法是减小回路电感，而不是增加去耦电容值，因为在高频端回路电感起主导作用，见效回路电感的方法有以下几种：

（1） 使电源平面和地平面靠近电路板表面层以缩短过孔 （2） 使用尺寸较小的电容器

（3） 从电容器焊盘到过孔间的连线要尽量短 （4） 将多个电容器并联使用

（5） 使每根导线中的电流扩散开和使返回电流靠近信号电流

10、信号

为了避免许多问题，我们不再使用“地”这个词，而使用“返回路径”，当信号沿传输线传输时，它同时使用了信号路径和返回路径。信号总是指信号路径和返回路径之间相邻两点间的电压差；从这个意义上讲，信号可以被定义为电压或电流。

11、传输线的阻抗

瞬态阻抗：ZVV183r ICLvVCLvCL其中：Z表示传输线的瞬态阻抗，单位为

CL表示单位长度电容量，单位为pF/in v表示材料中的光速

r表示材料的介电常数

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所以信号所感受到的阻抗仅由传输线的两个固有的参数决定，即由传输线的横截面积和材料的特性共同决定，与传输线的长度无关。只要这两个参数保持不变，信号受到的瞬态阻抗是一个常数。

对于均匀传输线，当信号在上面传播时，在任何一处受到的瞬态阻抗是相同的，定义这个恒定的瞬态阻抗为传输线的“特性阻抗”，用Z0表示。它是描述传输线的电气特性和信号与传输线相互作用关系的一个重要参数。特性阻抗在数值上等于瞬态阻抗，它是传输线固有的属性，而且仅与材料特性、介电常数和单位长度电容量有关，而与传输线长度无关。

Z083r CL如果沿线的横截面不变，信号沿互连线传播时所受到的阻抗就是恒定的，就说导线的阻抗是可控制的。基于这个原因，我们把均匀横截面传输线称为可控阻抗传输线。可控阻抗传输线可以制造成任意的均匀横截面。可控互连线的唯一条件就是：横截面是恒定不变的。

只要测量时间小于往返时间，那么欧姆表的读数就是传输线的特性阻抗。 由驱动器测量进入传输线前端的信号而得出的，它随时间而变化。对于相容的传输线，根据末端的连接情况、传输线的长度和测量方法的不同，可以是短路、开路或者短路和开路之间的任意值。 传输线的阻抗 瞬态阻抗 信号沿传输线传播时所受到的阻抗 特性阻抗 描述由几何结构和材料决定的传输线特征的一个物理量，它等于均匀传输线传播时所受到的瞬态阻抗。 在上升时间比传输线的往返时间短时，驱动器就把传输线看成电阻，其阻值等于传输线的特性阻抗。即使传输线的远端可能是开路，在信号跳变期间，传输线前端的性能也会像是一个纯电阻。

信号的往返时间与材料的介电常数和传输线的长的有关。大多数驱动器的上升时间都在亚纳秒级，所以只要互连线的长的大于几英寸，就可以把它认为是长线。在跳变过程中，互连线对驱动器来说就表现为阻性负载。这就是必须考虑所有互连线的传输线性能的重要原因之一。

为了驱动传输线，就要使加到传输线上的电压接近于源电压，这要求驱动器的输出电阻与传输线的特性阻抗相比要非常小。

对微带传输线的阻抗，没有精确的表达式，但是可以用一下经验公式来计算： (1)、窄线(w/h<1)

Z0Zf2effhwln8 w4h- 6 -

其中：effr1r12h1122w1/2w0.041h2 (2)、宽线(w/h>1)

Z0Zfeff1.393其中：eff

w2wln1.444h3h

r1r12h1122w1/2

12、信号的返回路径

信号在返回路径上流动时，电流选择阻抗最低的路径，即回路电感最低的路径，也就是

说返回电流必将尽量靠近信号电流，这也是趋肤效应的物理解释，频率越高，这种现象越明显。

13、地弹噪声

当信号路径切换层时，返回电流受到的阻抗是两平面间的瞬态阻抗，返回电流流过这个阻抗时，会产生一个电压降。这个电压降就称为地弹噪声。改变参考平面的信号线会加大这一地弹噪声，信号线也将受到其他信号所产生的地弹噪声的影响。

设计返回路径的目标是：设法减小返回路径的阻抗以便减小返回路径上的地弹噪声。要达到这个目标，就得尽量减平面间的阻抗，通常的做法是把参考平面设计成两个相邻的平面，而且平面间的介质要尽量薄。

减小回路阻抗的措施有以下几种： （1） 当信号路径切换层时，总要有一个具有相同参考电压的相邻平面，并在切换平

面间的短路过孔应尽量靠近信号过孔； （2） 具有不同直流电压的参考平面间的距离应尽量薄； （3） 扩大相邻切换过孔的距离，一面在初始瞬间当返回路径的阻抗很高时，返回电

流叠加在一起。

有时认为，在两个参考平面上切换返回电流时，在这两个平面间并接一个去耦电容，有助于减小返回路径的阻抗。为起到作用，在上升时间频率分量的带宽内，实际电容必须使得两平面间的阻抗小于5%×50Ohm即2.5Ohm。但是对于可以使用分立形式的高频元件时，决定实际电容阻抗的并不是电容量，而是它的等效串连电感。

14、特性阻抗与频率的关系

理想无损传输线的特性阻抗与单位长度电容和单位长度电感的关系为：

Z0LL CL假设随频率的变化，互连线的介电常数是个常数，那么单位长度电容也是恒定不变的。

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但是由于趋肤效应的影响，单位长度电感会随频率而变化。实际上，在低频时回路电感比较高，但是随着越来越多的电流分布在外表面，回路电感将下降。这说明在低频时特性阻抗比较高，随着频率的升高，特性阻抗将下降到某一恒定值。若频率远高于趋肤效应的频率，就认为所有电流都分布在导线的表面，并且当频率再升高时不随频率而变化。此时回路电感和特性阻抗都是常量。

15、信号的反射

信号沿传输线传播时，其路径上的每一步都有相应的瞬态阻抗。不论什么原因是瞬态阻抗发生了改变，部分信号都将沿着与原传播方向相反的方向反射。将阻抗发生改变的地方成为阻抗突变。

为了减小由这一基本特性造成的信号完整性问题，在所有的高速电路板中都必须运用以下四个重要的设计要素：

（1） 使用可控阻抗互连线

（2） 传输线末端至少有一个终端匹配

（3） 使用能使多分之产生影响最小的布线拓扑结构 （4） 最小化几何结构的不连续性

16、传输线的串扰

串扰是四类信号完整性问题之一，它是指有害信号从一个网络转移到另一个网络。任何一对网络之间都存在串扰，我们通常把噪声源所在的网络称为动态网络或攻击网络，而把有噪声产生的网络称作静态网络或受害网络。串扰是发生在一个网络的信号路径及返回路径和另一个网络的信号路径及返回路径之间的一种效应。不仅仅只是信号路径，信号-返回路径这整个回路都是非常重要的。

耦合是造成信号串扰的主要途径，常见的耦合源有两类：容性耦合和感性耦合，把耦合电容和耦合电感称为互容和互感，互容和互感都与串扰有关，但是还是要区别考虑。当返回路径是很宽的均匀平面时，容性耦合电流和感性耦合电流量大约相同。这时要精确地预测串扰量，二者都必须被考虑到。这就是电路板上传输线中的串扰情况，这种噪声有一种特殊的属性。如果返回路径不是很宽的均匀平面，而是封装中的单个引线或接插件中的单个引脚，则虽然依然存在容性耦合，但在这种情况下，感性耦合电流将远大于容性耦合电流。此时，噪声的行为主要由感性耦合电流决定。静态线上的噪声是由动态网络上的dI/dt驱动的，他通常在驱动器开关时即信号的上升边和下降边处发生。这就是把这种噪声称为开关噪声的原因。

17、近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT)

静态线上，把距离源端最近的一段称为“近端”，而距离源端最远的一段称为“远端”。即源端是信号传输方向的“前方”，近端是信号传输方向的“后方”。

当传输线两端都有端接而且不存在多次反射时，近端和远端出现的噪声形式都有特殊的形状。近端噪声迅速上升到一个固定值，并且保持着一致的持续时间为耦合长度时延的两倍，然后再下降。把这个恒定的近端噪声饱和量称为近端串扰系数。近端串扰的值取决于线条之间的距离，减小NEXT的唯一方法就是加大线条之间的距离。

和近端相比，远端也有一个明显不同的属性。在信号开始一段时间后才会有远端噪声，

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它的出现非常迅速，且持续时间很短。呈现脉冲状，脉冲宽度就是信号的上升时间，峰值电压称为远端串扰系数。相比近端串扰，远端串扰的幅度很大，几乎能达到信号幅度的30%。减小FEXT的方法有三个：减小耦合线的长度、增加上升时间和加大线条间的距离。

18、近端串扰

近端串扰与经过近端端接电阻的静耦合电流有关，近端串扰有以下四个重要特征：

1、 如果耦合长度大于饱和长度，噪声电压降达到一个稳定值。这个最大电压的幅度定

义为近端串扰值(NEXT)，它通常用静态线上的近端噪声电压与动态线上的信号电压的比值来表示，这个比值定义为近端串扰系数。

2、 如果耦合长度比饱和长度短，电压峰值将小于NEXT。实际的噪声电压峰值与偶合

长度和饱和长度的比值成比例。

3、 近端噪声持续的总时间是2×TD，如果耦合区域的时延为1ns，则近端噪声将持续

2ns。

4、 近端噪声是由信号的上升时间引入的。 NEXT的幅值与互容和互感的关系如下：

NEXT其中：

Vb1CmLLmL kbVa4CLLLNEXT表示近端串扰系数；

Vb表示静态线上的后向噪声电压 Va表示动态线上的信号电压 kb表示后向串扰系数

CmL表示单位长度的互容，单位微pF/in

CL表示信号路径上的单位长度电容，单位为pF/in

LmL表示单位长度互感，单位为nH/in

LL表示信号路径上的单位长度电感，单位为nH/in

如果相邻信号路径之间的间距大于线宽的两倍，最大近端噪声将小于2%。这时，即使

是最差情况的耦合，即一条受害线两边有许多攻击线时，受害线上的最大近端噪声也将小于5%，在落在许多典型噪声预算之内。

19、远端串扰

远端噪声电压与流经远端端接电阻的静耦合电流有关。远端噪声有以下四个重要特征： 1、 直到信号输入TD后，噪声才会出现。噪声在静态线上传播的速度与信号的速度相等。 2、 远端噪声以脉冲形式出现，它是信号边沿的微分。脉冲宽度就是信号的上升时间。随着

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上升时间的减小，远端噪声的脉冲宽度也减小，而峰值将增加。

3、 远端噪声的峰值与耦合长度成比例。耦合长度增加，噪声峰值将增加。

4、 FEXT系数是对远端噪声峰值电压Vf的直接度量，通常把它表示成Vf与信号电压Va的

比值：FEXTVfVa，除了基于耦合传输线本征项横截面之外，噪声值还与另两个非本

征项（耦合长度和上升时间）成比例。关系式如下：

FEXTVfVaLenLen1CmLLmL kfRTRT2vCLLL1CmLLmL 2vCLLLkf其中：

Len表示两条线之间的耦合区域的长度

kf表示只于本征项有关的远端耦合系数

v表示线上的信号传播速度

RT表示信号的上升时间

式中其他参数含义同近端噪声

如果在传输线周围的介质相同，且分布均匀的话，奇模信号和偶模信号的传播速度相同，这是就不会产生远端噪声。如果介质材料有不同现象，根据信号路径和返回路径之间具体的电压模式，电力线就会经过不同的有效介电常数，相对容性耦合和相对感性耦合就不相等，这将引起远端噪声。

FEXT其中：

VfVaLenLenTDkfvkfvkf RTRTvRTvkf是本征项，它只与耦合线的横截面性质有关

TD是耦合线传播时延

RT是信号的上升时间

20、减小远端串扰的原则：

1、增加信号路径之间的距离。 2、减小耦合长度。

3、在表面导线的上方加上介质材料。如加上一层很厚的阻焊层。但是在导线上访加介质也会使近端系数增加，并使传输线的特性阻抗减小，所以再加上介质涂层时，必须考虑这些情况。

4、将敏感线布成带状线。 5、使用较小介电常数的材料。

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6、加防护布线。

21、串扰和时序

在微带线上，串扰和时序之间有着微妙的相互作用。这是由介质材料的不对称和信号线间的边缘场不相同而共同造成的，其中信号线间的边缘场与攻击线上的数据模式有关。当攻击线和受害线的开关方向相反时，受害线的时延减小；当攻击线和受害线上的信号相同时，受害线上的时延将增加。

以上的影响仅在紧耦合传输线中比较明显，如果两条线相隔很远，串扰电压并不引起问题，边缘场不会重合，受害线时延就与其他导线的开关方式无关。

22、开关噪声

如果返回路径不是均匀平面或介质材料非常不均匀时，增加的感性耦合比容性耦合高很多，这是噪声主要有回路互感决定。静态线上由互感产生的噪声仅在当动态线上出现dI/dt时才会上升，即边沿切换的时候。在公用引线的局部互感在回路互感中占主导地位的特殊情况下，地弹是开关噪声的一种形式。只要有公用的返回路径，就会发生地弹。这里减小地弹的三种方法：

1、 增加返回路径数量，使他们没有公用的返回路径； 2、 增加返回路径的宽度并减小长度，是之局部自感最小；

3、 将每一个信号路径靠近它的返回路径以便增加他们见的互感。

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