Signalverzerrung auf Ihrer Leiterplatte: Ursachen und Lösungen

Längenanpassung bei Hochgeschwindigkeitssignalen dreht sich alles um Synchronisation...

Signalverzerrungen werden oft nur am Rande in vielen Diskussionen über Signalintegrität und Schaltungsanalyse erwähnt. Da immer mehr Netzwerkprodukte mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten und komplizierte Modulationsschemata verwenden, werden Sie feststellen, dass Signalverzerrungen zu einem ernsthaften Problem werden, das zu Bitfehlerraten beiträgt. Quellen von Verzerrungen werden als eines der Hauptprobleme genannt, die höhere Datenraten in elektrischen Verbindungen verhindern.

Die gleichen Probleme können auch bei analogen Signalen beobachtet werden, insbesondere bei solchen, die mit Frequenzen im Bereich von 10 GHz arbeiten. Mehr Designer im RF-/Wireless-Bereich müssen diese Signalverzerrungsquellen während des Entwurfs, Tests und der Messung verstehen.

Lineare vs. nichtlineare Signalverzerrung

Alle Quellen von Signalverzerrungen können als linear oder nichtlinear klassifiziert werden. Sie unterscheiden sich in Bezug auf die Harmonieerzeugung. Quellen nichtlinearer Verzerrungen erzeugen Harmonische, wenn ein Signal durch die Quelle propagiert, während lineare Signalverzerrungsquellen keine Harmonischen erzeugen. Beide Verzerrungsquellen können die Größe und Phase der Frequenzkomponenten, die ein Signal ausmachen, verändern.

Die verschiedenen Quellen von Signalverzerrungen wirken sich auf unterschiedliche Arten von Signalen (analog oder digital) auf unterschiedliche Weise aus, abhängig von der Bandbreite der Verzerrungsquelle und dem Frequenzinhalt im jeweiligen Signal. Verschiedene Quellen von Signalverzerrungen haben auch unterschiedliche Auswirkungen auf modulierte Signale, abhängig von der Art der Modulation.

Offensichtlich ist die Bandbreite der verschiedenen Signalverzerrungsquellen breit und wir können nicht jede Quelle im Detail abdecken. Wir können jedoch einige wichtige Quellen von linearer und nichtlinearer Signalverzerrung in Ihren PCB-Leiterbahnen und Komponenten zusammenfassen.

Quellen linearer Signalverzerrungen

• Frequenzgang und Phasenverzerrung. Wenn Sie mit Frequenzsweepsimulationen in linearen Schaltkreisen vertraut sind, dann wissen Sie, dass eine Übertragungsfunktion die Änderung in Phase und Amplitude eines Signals in einem linearen Schaltkreis definiert. Die Übertragungsfunktion eines Schaltkreises, einer spezifischen Komponente oder einer Verbindung wendet eine Phasenverschiebung an und passt die Größe des Signals an. Diese Änderungen in der Phase und Größe sind Funktionen der Frequenz und werden in einem Bode-Diagramm visualisiert. Das bedeutet, dass verschiedene Frequenzkomponenten um unterschiedliche Beträge verzögert werden und diese verschiedenen Frequenzkomponenten in unterschiedlichem Maße verstärkt oder abgeschwächt werden.

• Unstetigkeiten. Diese breite Klasse von Verzerrungsquellen umfasst Impedanzunstetigkeiten entlang einer Verbindung (z.B. Vias und Leiterbahnengeometrie) und Unstetigkeiten in den Materialeigenschaften (z.B. durch den Glasgewebeeffekt).

• Dispersionverzerrung. Diese entsteht durch Dispersion in einem PCB-Substrat, Leitern und jedem anderen Material auf Ihrer Platine. Diese Verzerrungsquelle ist unvermeidlich, obwohl sie klein genug sein kann, dass sie bei kurzen Verbindungsstrecken nicht bemerkbar ist. Dispersion im Substrat verursacht, dass verschiedene Frequenzkomponenten eines digitalen Signals entlang einer Leiterbahn mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten reisen. Dispersion beeinflusst auch den Verlustwinkel, den ein Signal auf einer Leiterbahn sieht, was zur Signalverzerrung beiträgt. Dies führt dazu, dass ein Impuls gedehnt wird (d.h., die Gruppengeschwindigkeit wird frequenzabhängig), ähnlich wie bei Ultrakurzpulslasern ohne Dispersionkompensation.

Eine Lösung zur Kompensation der Dispersion in einer PCB-Verbindung ist die Verwendung eines DSP-Algorithmus oder die Verwendung eines geschichteten Substratgewebes mit abwechselnder positiver und negativer Gruppengeschwindigkeitsdispersion, sodass die Netto-Dispersion im relevanten Frequenzbereich null ist. Dieses spezielle Thema ist breit genug, dass es einen eigenen Artikel verdient. Schauen Sie sich diesen ausgezeichneten Artikel im Signal Integrity Journal für eine vollständige Diskussion der Dispersion in PCB-Leiterbahnen an.

Dispersion ist der gleiche Effekt, der dazu führt, dass ein Prisma Licht spaltet

Quellen nichtlinearer Signalsverzerrungen

• Nichtlineare Frequenzantwort und Phasenverzerrung. Ähnlich wie im linearen Fall können nichtlineare Schaltungen Frequenzkomponenten in einem Signal unterschiedlich stark verzerren, abhängig von Frequenz und Eingangssignalpegel. Dies tritt bei Verstärkern, ferritischen Komponenten und anderen transistorbasierten Geräten auf, sobald sie die Sättigung erreichen.

• Intermodulationsverzerrung. Diese Art der Amplitudenverzerrung (sowohl die aktive als auch die passive Variante) tritt auf, wenn zwei Frequenzkomponenten in eine nichtlineare Schaltung eingespeist werden. Dies tritt bei 5G-fähigen Geräten auf, da die beiden für die Trägeraggregation verwendeten Signale miteinander interferieren (passive Intermodulation). Es tritt auch in jeder nichtlinearen Komponente auf, die verwendet wird, um ein moduliertes Signal zu manipulieren, wie bei Leistungsverstärkern in einer HF-Signalkette.

• Harmonische Verzerrung. Dies ist der zweite Typ der Amplitudenverzerrung. Dies tritt auf, wenn ein Signal an eine Komponente oder Schaltung angelegt wird, die sättigt. Effektiv führt dies dazu, dass die Amplitude eines Signals abflacht (als Clipping bezeichnet), sobald der Eingang einen bestimmten Pegel überschreitet.

Analoge Signale

Harmonische Signale sind effektiv immun gegen lineare Frequenzantwort und Phasenverzerrung. Als Beispiel wird ein Filter oder eine passive Verstärkerschaltung (wie ein LC-Oszillator) eine Phasenverschiebung und Änderung der Amplitude des Eingangssignals induzieren, aber es werden keine zusätzlichen Harmonischen erzeugt. Das Gleiche gilt für Dispersionverzerrung, da das Signal nur eine einzige Frequenzkomponente enthält. Diskontinuitäten können das Signal verzerren, während es entlang einer Verbindung reist, und effektiv niedrigere Amplitudenkopien des Signals erzeugen, die auf das Original überlagert werden.

Alle Quellen nichtlinearer Verzerrung verursachen die Erzeugung von Harmonischen in analogen Signalen. Der einzige Weg, diese Probleme zu lösen, besteht darin, im linearen Bereich für alle Komponenten zu arbeiten und Impedanzanpassung durchzusetzen. Komponentenfertigungsfehler und Rauheit auf Mikrostreifen- und Streifenleiterbahnen sind ebenfalls für nichtlineare Verzerrungen bei mmWellen-Frequenzen verantwortlich.

Digitale Signale

Da digitale Signale aus mehreren Frequenzkomponenten bestehen, sind sie besonders empfindlich gegenüber Frequenzantwort und Phasenverzerrung. Im linearen Fall führt dies dazu, dass verschiedene Frequenzkomponenten unterschiedlich verzögert und abgeschwächt werden. Das Ergebnis ist eine Änderung der Form der Komponente. Werden Diskontinuitäten und Dispersion hinzugefügt, können Teile des Signals verzögert werden, was das Signal effektiv streckt. Im Falle von Signalreflexionen an Impedanzdiskontinuitäten kann dies zu Geisterbildern führen, wenn der Abstand zwischen zwei Diskontinuitäten größer ist als die räumliche Spanne des Signals. Dies kann auch die bekannte treppenförmige Antwort in digitalen Signalen auf Übertragungsleitungen erzeugen.

Signalreflexionen von Impedanzdiskontinuitäten können Geisterbilder erzeugen. Bildquelle: wirelesswaffle.com

Nichtlineare Signalschwankungen verursachen auch die Erzeugung von Harmonischen in digitalen Signalen, was einzigartige Veränderungen im Signalspektrum und im Zeitbereich zur Folge hat. Wenn ein Signal schneller an einen Verstärker angelegt wird, als dieser reagieren kann, wird eine Intermodulationsverzerrung im Ausgang des Verstärkers sichtbar. Diese spezielle Art der Signalschwankung wird als durch Anstiegsgeschwindigkeit induzierte Verzerrung bezeichnet, da sie mit der Anstiegsgeschwindigkeit des Eingangssignals zusammenhängt.

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