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信号失真在您的PCB中：来源与解决方案

Thought Leadership 信号失真在您的PCB中：来源与解决方案高速信号的长度匹配全是关于同步... 信号失真在许多关于信号完整性和电路分析的讨论中经常被简单提及。随着越来越多的网络产品开始以更高的速度运行并使用复杂的调制方案，你会发现信号失真成为导致比特错误率的严重问题。失真源被认为是阻碍电气互连中数据速率提高的主要瓶颈之一。在模拟信号中也可以看到同样的问题，特别是那些以10的GHz频率运行的信号。更多的RF/无线领域的设计师将需要在设计、测试和测量过程中理解这些信号失真源。线性与非线性信号失真所有信号失真源都可以被分类为线性或非线性。它们在谐波产生方面有所不同。非线性失真源在信号通过源时产生谐波，而线性信号失真源不产生谐波。这两种失真源都可以改变构成信号的频率成分的幅度和相位。不同的信号失真源会以不同的方式影响不同类型的信号（模拟或数字），这取决于失真源的带宽和特定信号中的频率内容。不同的信号失真源对调制信号的影响也不同，这取决于调制的类型。显然，不同信号失真源的范围很广，我们无法详细介绍每一个源。然而，我们可以总结一些在你的PCB走线和组件中线性和非线性信号失真的重要来源。线性信号失真源频率响应和相位失真。如果你熟悉线性电路中的频率扫描仿真，那么你知道传递函数定义了信号在线性电路中的相位和幅度变化。电路、特定组件或互连的传递函数将应用一个相位移动，并将调整信号的幅度。这些相位和幅度的变化是频率的函数，并在波特图中可视化。这意味着不同频率成分被不同程度地延迟，这些不同频率成分被不同程度地放大或衰减。不连续性。这一广泛的失真源类别包括沿着互连的阻抗不连续性（例如，过孔和走线几何）和材料属性的不连续性（例如，来自纤维编织效应）。色散失真。这是由于 PCB基板中的色散、导体和板中的任何其他材料引起的。这种失真源是不可避免的，尽管当互连长度较短时，它可能足够小以至于不被注意到。基板中的色散导致数字信号中的不同频率成分沿着走线以不同的速度传播。色散还影响信号在走线上看到的损耗正切，这有助于信号失真。这导致脉冲拉伸（即，群速度变得频率依赖），类似于没有色散补偿的超快激光器中发生的情况。补偿PCB互连中的色散的一种解决方案是使用 DSP算法，或使用具有交替正负群速度色散的分层基板编织，使得在相关频率范围内净色散为零。这个特定主题足够广泛，值得单独撰写一篇文章。请查看Signal Integrity Journal中的这篇精彩文章，以获得PCB走线中色散的完整讨论。色散是导致棱镜分裂光线的同一效应

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PDN阻抗分析和建模：从原理图到PCB布局

PDN阻抗分析和建模：从原理图到PCB布局我们在这里讲了很多关于信号完整性的内容，但信号完整性其实与电源完整性密切相关。这不仅仅是减少电源/调压器的开关噪声或纹波的问题。在某些设计中，PCB中的PDN阻抗会对您的设计造成不利影响，从而导致电路板中的元件由于电源问题而无法按照设计工作。这时，了解一些用于PDN阻抗分析的基本模型将起到一定的帮助作用。如果您可以为PDN阻抗建立一些合理准确的模型，则您可以为元件设计适当的去耦网络，以将PDN的阻抗保持在可接受的范围内。为什么要进行PDN阻抗分析？高速和高频PCB设计人员通过阅读本文即可知道答案。但是，随着技术要求的不断提高，无论是否情愿，我们所有人都将成为高速和高频PCB设计人员，因此了解PDN阻抗如何影响PCB中信号的行为就变得非常重要。不幸的是，我们在信息整合方面做得并不够好。因此，我很高兴在这里为大家做一个总结。简而言之，您的PDN阻抗会影响电路的以下几个方面：电源总线噪声。由于PCB中的瞬态电流而产生的电压纹波。请注意，由于PDN阻抗是频率的函数，因此开关引起的电压纹波也将是频率的函数。请注意，无论调压器输出中的噪声水平如何，都会产生这些电压瞬变。电源总线噪声中的阻尼。在某些情况下，电源总线上的任何纹波都可能显示为振铃（即，阻尼不足的瞬态振荡）。如果去耦电容器的尺寸不正确，或者在去耦网络中没有考虑到去耦电容器的自谐振频率，就会出现这个问题。所需的去耦水平。过去，由于电容器自谐振频率（~100 MHz）相对较低，因此使用TTL和更快的逻辑系列并不足以确保PCB中实现去耦。因此，设计人员使用层间电容来提供足够的电容，以确保实现去耦。市场上已推出更新款的具有GHz自谐振频率的电容器，它们足以在高速/高频PCB中实现去耦。回流路径。您的回流电流将遵循最小电阻路径（针对直流电流）或最小电抗路径（针对交流电流）。接地网络中的阻抗会在空间中变化，并且部分取决于信号轨迹与PDN之间的寄生耦合。电阻压降。由于构成PDN的导体的固有电阻，供电和回流电流的直流电部分将会遭受一定的损耗。下图显示了PDN分析结果示例，说明了特定信号轨迹以下的回流电流和同一接地层中的直流电流。定时抖动。由于信号的传播时间有限，因此从去耦电容器和调压器产生的电流将需要一些时间才能到达开关元件。当这些信号到达元件时，它们会干扰输出信号，从而有效地在信号的上升时间中产生一些抖动。通常，由于电源轨噪声引起的定时抖动会随着噪声强度以及调压器与元件之间的长度而增加。在长电源轨上，这可能会导致定时抖动达到几百纳秒，从而使数据去同步并提高误码率。注意此PDN分析仪输出中的信号轨迹 PDN阻抗分析的简化模型您可以直接从原理图为PDN的阻抗谱及其瞬态响应建模，但前提是您必须考虑到PDN中的寄生效应。在下面的模型中，您会注意到若干电路元素，但是此模型仅包含两个实际元件。第一个是您的电源/调压器，它具有一定的指定输出阻抗Z（输出），并且通常属于RL串联。第二个是去耦电容器，其理想电容为Cc1。其余的电路元素属于寄生元素。Rs和Ls值分别用于固有导体电阻和寄生电源层电感的建模。Rp、Lp和Cp元件代表了电源和接地层之间的寄生耦合（即，层间电容）。 PDN阻抗分析的简化模型。图片来源： nwengineeringllc.com 在分析此模型之前，您需要确定或估计模型中各个元素的值。去耦电容器的值很容易处理；只需从数据表单中获取所需电容器的值即可。层间电容也很容易粗略估算；只需使用载板的介电常数、重叠的接地/电源层面积以及它们在叠层中的距离，即可得到层间电容Cp。剩余的R值可以使用预期的导线尺寸计算。L值需要根据电路各部分的近似回路电感来估算；这些值通常在pH到几个nH之间。

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