Distorsión de la Señal en tu PCB: Fuentes y Soluciones

El emparejamiento de longitud para señales de alta velocidad se trata de la sincronización...

La distorsión de señal a menudo recibe una mención de paso en muchas discusiones sobre la integridad de señal y análisis de circuitos. A medida que más productos de redes comienzan a operar a mayores velocidades y utilizan esquemas de modulación complicados, encontrarás que la distorsión de señal se convierte en un problema serio que contribuye a las tasas de error de bit. Las fuentes de distorsión son citadas como uno de los principales cuellos de botella que previenen tasas de datos más rápidas en interconexiones eléctricas.

Los mismos problemas pueden verse en señales analógicas, particularmente aquellas que operan en frecuencias de decenas de GHz. Más diseñadores en el dominio RF/inalámbrico necesitarán entender estas fuentes de distorsión de señal durante el diseño, prueba y medición.

Distorsión de Señal Lineal vs. No Lineal

Todas las fuentes de distorsión de señal pueden clasificarse como lineales o no lineales. Difieren en términos de generación de armónicos. Las fuentes de distorsión no lineal generan armónicos a medida que una señal se propaga a través de la fuente, mientras que las fuentes de distorsión de señal lineal no generan armónicos. Ambas fuentes de distorsión pueden alterar la magnitud y fase de los componentes de frecuencia que conforman una señal.

Las diferentes fuentes de distorsión de señal afectarán a diferentes tipos de señales (analógicas o digitales) de diferentes maneras, dependiendo del ancho de banda de la fuente de distorsión y el contenido de frecuencia en la señal particular. Diferentes fuentes de distorsión de señal también tienen diferentes efectos en señales moduladas, dependiendo del tipo de modulación.

Obviamente, la amplitud de diferentes fuentes de distorsión de señal es amplia y no podemos cubrir cada fuente en detalle. Sin embargo, podemos resumir algunas fuentes importantes de distorsión de señal lineal y no lineal en tus trazas y componentes de PCB.

Fuentes de Distorsión de Señal Lineal

• Respuesta de frecuencia y distorsión de fase. Si estás familiarizado con las simulaciones de barrido de frecuencia en circuitos lineales, entonces sabes que una función de transferencia define el cambio en fase y amplitud de una señal en un circuito lineal. La función de transferencia de un circuito, componente específico o interconexión aplicará un desplazamiento de fase y ajustará la magnitud de la señal. Estos cambios en la fase y magnitud son funciones de la frecuencia y se visualizan en un diagrama de Bode. Esto significa que diferentes componentes de frecuencia se retrasan por diferentes cantidades, y estos diferentes componentes de frecuencia se amplifican o atenúan por diferentes cantidades.

• Discontinuidades. Esta amplia clase de fuentes de distorsión incluye discontinuidades de impedancia a lo largo de una interconexión (por ejemplo, vías y geometría de pistas) y discontinuidades en las propiedades del material (por ejemplo, debido al efecto de tejido de fibra).

• Distorsión por dispersión. Esto surge debido a la dispersión en un sustrato de PCB, conductores y cualquier otro material en tu placa. Esta fuente de distorsión es inevitable, aunque puede ser lo suficientemente pequeña como para ser imperceptible cuando las longitudes de interconexión son cortas. La dispersión en el sustrato causa que diferentes componentes de frecuencia en una señal digital viajen a lo largo de una pista a diferentes velocidades. La dispersión también afecta el tangente de pérdida visto por una señal en una pista, lo que contribuye a la distorsión de la señal. Esto causa que un pulso se estire (es decir, la velocidad de grupo se vuelve dependiente de la frecuencia), similar a lo que ocurre en láseres ultrarrápidos sin compensación de dispersión.

Una solución para compensar la dispersión en una interconexión de PCB es usar un algoritmo DSP, o usar un sustrato tejido en capas con dispersión de velocidad de grupo positiva y negativa alternada de tal manera que la dispersión neta sea cero en el rango de frecuencia relevante. Este tema en particular es lo suficientemente amplio como para merecer su propio artículo. Echa un vistazo a este excelente artículo en Signal Integrity Journal para una discusión completa sobre la dispersión en pistas de PCB.

La dispersión es el mismo efecto que causa que un prisma divida la luz

Fuentes de Distorsión de Señal No Lineales

• Respuesta de frecuencia no lineal y distorsión de fase. De la misma manera que en el caso lineal, los circuitos no lineales pueden distorsionar los componentes de frecuencia en una señal por diferentes cantidades, dependiendo de la frecuencia y el nivel de señal de entrada. Esto ocurre en amplificadores, componentes ferríticos y otros dispositivos basados en transistores una vez que alcanzan la saturación.

• Distorsión por intermodulación. Este tipo de distorsión de amplitud (tanto la variedad activa como pasiva) ocurre cuando dos componentes de frecuencia se introducen en un circuito no lineal. Esto ocurre en dispositivos compatibles con 5G ya que las dos señales utilizadas para la agregación de portadoras interfieren entre sí (intermodulación pasiva). También ocurre en cualquier componente no lineal que se utiliza para manipular una señal modulada, como en amplificadores de potencia en una cadena de señal RF.

• Distorsión armónica. Este es el segundo tipo de distorsión de amplitud. Esto ocurre cuando una señal se introduce en un componente o circuito que satura. En efecto, esto causa que la amplitud de una señal se nivele (llamado recorte) una vez que la entrada supera cierto nivel.

Señales Analógicas

Las señales harmónicas son efectivamente inmunes a la respuesta de frecuencia lineal y la distorsión de fase. Como ejemplo, un filtro o circuito amplificador pasivo (como un oscilador LC) inducirá un desplazamiento de fase y un cambio en la amplitud de la señal de entrada, pero no se generarán armónicos adicionales. Lo mismo se aplica a la distorsión por dispersión ya que la señal contiene solo un componente de frecuencia. Las discontinuidades pueden distorsionar la señal a medida que viaja a lo largo de un interconector, creando efectivamente copias de menor amplitud de la señal que se superponen sobre la original.

Todas las fuentes de distorsión no lineal causan la generación de harmónicos en señales analógicas. La única manera de resolver estos problemas es trabajar en el rango lineal para todos los componentes y forzar la adaptación de impedancia. Las imperfecciones en la fabricación de componentes y la rugosidad en las pistas de microstrip y stripline también son responsables de la distorsión no lineal en frecuencias de mmWave.

Señales Digitales

Dado que las señales digitales están compuestas por múltiples componentes de frecuencia, son particularmente sensibles a la respuesta de frecuencia y la distorsión de fase. En el caso lineal, esto causa que diferentes componentes de frecuencia se retrasen y atenúen por diferentes cantidades. El resultado es un cambio en la forma del componente. Si se añaden discontinuidades y dispersión a la mezcla, partes de la señal pueden retrasarse, estirando efectivamente la señal. En el caso de reflexiones de señal en discontinuidades de impedancia, esto puede llevar a imágenes fantasma cuando la distancia entre dos discontinuidades es más larga que el alcance espacial de la señal. Esto también puede producir la conocida respuesta en escalera en señales digitales vista en líneas de transmisión.

Las reflexiones de señal debido a discontinuidades de impedancia pueden producir fantasmas. Fuente de la imagen: wirelesswaffle.com

Las fuentes de distorsión de señal no lineales también causan la generación de armónicos en señales digitales, creando cambios únicos en el espectro de la señal y en el dominio temporal. Cuando una señal de entrada a un amplificador cambia más rápido de lo que un amplificador puede responder, se verá distorsión por intermodulación en la salida del amplificador. Este tipo particular de distorsión de señal se llama distorsión inducida por desplazamiento ya que está relacionada con la tasa de desplazamiento de la señal de entrada.

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