Distorsion du signal dans votre PCB : sources et solutions

L'appariement de longueur pour les signaux à haute vitesse concerne avant tout la synchronisation...

La distorsion du signal est souvent mentionnée en passant dans de nombreuses discussions sur l'intégrité du signal et l'analyse des circuits. À mesure que davantage de produits de réseau fonctionnent à des vitesses plus élevées et utilisent des schémas de modulation complexes, vous constaterez que la distorsion du signal devient un problème sérieux qui contribue aux taux d'erreur binaire. Les sources de distorsion sont citées comme l'un des principaux goulets d'étranglement empêchant des taux de données plus rapides dans les interconnexions électriques.

Les mêmes problèmes peuvent être observés dans les signaux analogiques, en particulier ceux qui fonctionnent à des fréquences de l'ordre de dizaines de GHz. Plus de concepteurs dans le domaine RF/sans fil devront comprendre ces sources de distorsion du signal pendant la conception, les tests et les mesures.

Distorsion du signal linéaire vs non linéaire

Toutes les sources de distorsion du signal peuvent être classées comme linéaires ou non linéaires. Elles diffèrent en termes de génération d'harmoniques. Les sources de distorsion non linéaires génèrent des harmoniques à mesure qu'un signal se propage à travers la source, tandis que les sources de distorsion du signal linéaire ne génèrent pas d'harmoniques. Les deux sources de distorsion peuvent modifier l'amplitude et la phase des composants de fréquence qui composent un signal.

Les différentes sources de distorsion du signal affecteront différents types de signaux (analogiques ou numériques) de différentes manières, en fonction de la bande passante de la source de distorsion et du contenu en fréquence du signal particulier. Les différentes sources de distorsion du signal ont également des effets différents sur les signaux modulés, en fonction du type de modulation.

De toute évidence, l'étendue des différentes sources de distorsion du signal est large et nous ne pouvons pas couvrir chaque source en détail. Cependant, nous pouvons résumer quelques sources importantes de distorsion du signal linéaire et non linéaire dans vos pistes et composants de PCB.

Sources de distorsion du signal linéaire

• Réponse en fréquence et distorsion de phase. Si vous êtes familier avec les simulations de balayage de fréquence dans les circuits linéaires, alors vous savez qu'une fonction de transfert définit le changement de phase et d'amplitude d'un signal dans un circuit linéaire. La fonction de transfert d'un circuit, d'un composant spécifique ou d'une interconnexion appliquera un décalage de phase et ajustera l'amplitude du signal. Ces changements de phase et d'amplitude sont des fonctions de la fréquence et sont visualisés dans un diagramme de Bode. Cela signifie que les différents composants de fréquence sont retardés par différentes quantités, et ces différents composants de fréquence sont amplifiés ou atténués par différentes quantités.

• Discontinuités. Cette large classe de sources de distorsion inclut les discontinuités d'impédance le long d'une interconnexion (par exemple, les vias et la géométrie des pistes) et les discontinuités dans les propriétés des matériaux (par exemple, à cause de l'effet de tissage de fibre).

• Distorsion par dispersion. Cela survient en raison de la dispersion dans un substrat de PCB, les conducteurs, et tout autre matériau dans votre carte. Cette source de distorsion est inévitable, bien qu'elle puisse être suffisamment faible pour être imperceptible lorsque les longueurs d'interconnexion sont courtes. La dispersion dans le substrat fait voyager les différents composants de fréquence d'un signal numérique le long d'une piste à différentes vitesses. La dispersion affecte également le tangent de perte vu par un signal sur une piste, ce qui contribue à la distorsion du signal. Cela provoque un étirement de l'impulsion (c'est-à-dire, la vitesse de groupe devient dépendante de la fréquence), similaire à ce qui se passe dans les lasers ultra-rapides sans compensation de dispersion.

Une solution pour compenser la dispersion dans une interconnexion de PCB est d'utiliser un algorithme DSP, ou d'utiliser un substrat stratifié avec une alternance de dispersion de vitesse de groupe positive et négative de sorte que la dispersion nette soit nulle dans la plage de fréquence pertinente. Ce sujet particulier est suffisamment large pour mériter son propre article. Jetez un œil à cet excellent article dans le Journal de l'Intégrité du Signal pour une discussion complète sur la dispersion dans les pistes de PCB.

La dispersion est le même effet qui cause à un prisme de diviser la lumière

Sources de distorsion du signal non linéaires

• Réponse en fréquence non linéaire et distorsion de phase. De la même manière que dans le cas linéaire, les circuits non linéaires peuvent distordre les composantes de fréquence d'un signal de différentes manières, en fonction de la fréquence et du niveau du signal d'entrée. Cela se produit dans les amplificateurs, les composants ferritiques et autres dispositifs à base de transistors une fois qu'ils atteignent la saturation.

• Distorsion d'intermodulation. Ce type de distorsion d'amplitude (à la fois active et passive) se produit lorsque deux composantes de fréquence sont introduites dans un circuit non linéaire. Cela se produit dans les dispositifs compatibles 5G lorsque les deux signaux utilisés pour l'agrégation de porteuses interfèrent l'un avec l'autre (intermodulation passive). Cela se produit également dans tout composant non linéaire utilisé pour manipuler un signal modulé, comme dans les amplificateurs de puissance dans une chaîne de signal RF.

• Distorsion harmonique. C'est le second type de distorsion d'amplitude. Cela se produit lorsqu'un signal est introduit dans un composant ou un circuit qui sature. En effet, cela provoque le nivellement de l'amplitude d'un signal (appelé écrêtage) une fois que l'entrée dépasse un certain niveau.

Signaux analogiques

Les signaux harmoniques sont effectivement immunisés contre la réponse en fréquence linéaire et la distorsion de phase. Par exemple, un filtre ou un circuit amplificateur passif (comme un oscillateur LC) induira un décalage de phase et un changement dans l'amplitude du signal d'entrée, mais aucune harmonique supplémentaire ne sera générée. Il en va de même pour la distorsion de dispersion puisque le signal ne contient qu'une seule composante de fréquence. Les discontinuités peuvent distordre le signal lorsqu'il se déplace le long d'une interconnexion, créant effectivement des copies de l'amplitude inférieure du signal qui sont superposées sur l'original.

Toutes les sources de distorsion non linéaire provoquent la génération d'harmoniques dans les signaux analogiques. La seule façon de résoudre ces problèmes est de travailler dans la plage linéaire pour tous les composants et d'assurer l'adaptation d'impédance. Les imperfections de fabrication des composants et la rugosité sur les pistes microstrip et stripline sont également responsables de la distorsion non linéaire aux fréquences mmWave.

Signaux numériques

Étant donné que les signaux numériques sont composés de multiples composantes de fréquence, ils sont particulièrement sensibles à la réponse en fréquence et à la distorsion de phase. Dans le cas linéaire, cela provoque un retard et une atténuation de différentes composantes de fréquence de différentes manières. Le résultat est un changement dans la forme du composant. Si des discontinuités et de la dispersion sont ajoutées au mélange, des portions du signal peuvent être retardées, étirant effectivement le signal. Dans le cas de réflexions de signal aux discontinuités d'impédance, cela peut conduire à des images fantômes lorsque la distance entre deux discontinuités est plus longue que l'étendue spatiale du signal. Cela peut également produire la réponse en escalier bien connue dans les signaux numériques observée sur les lignes de transmission.

Les réflexions de signal dues aux discontinuités d'impédance peuvent produire des fantômes. Source de l'image : wirelesswaffle.com

Les sources de distorsion du signal non linéaires causent également la génération d'harmoniques dans les signaux numériques, créant des changements uniques dans le spectre du signal et dans le domaine temporel. Lorsqu'un signal d'entrée à un amplificateur bascule plus rapidement que l'amplificateur ne peut répondre, une distorsion d'intermodulation sera observée dans la sortie de l'amplificateur. Ce type particulier de distorsion du signal est appelé distorsion induite par le slew, car elle est liée au taux de variation du signal d'entrée.

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