Distorsione del Segnale nella Tua PCB: Fonti e Soluzioni

Il matching di lunghezza per segnali ad alta velocità riguarda tutta la sincronizzazione...

La distorsione del segnale spesso riceve una menzione di passaggio in molte discussioni sull'integrità del segnale e l'analisi dei circuiti. Man mano che più prodotti di rete iniziano a funzionare ad alte velocità e utilizzano schemi di modulazione complicati, scoprirai che la distorsione del segnale diventa un problema serio che contribuisce ai tassi di errore dei bit. Le fonti di distorsione sono citate come uno dei principali colli di bottiglia che impediscono tassi di dati più veloci negli interconnettori elettrici.

Gli stessi problemi possono essere osservati nei segnali analogici, in particolare quelli che operano a frequenze dell'ordine dei 10 GHz. Più progettisti nel dominio RF/wireless dovranno comprendere queste fonti di distorsione del segnale durante la progettazione, il test e la misurazione.

Distorsione del Segnale Lineare vs. Non Lineare

Tutte le fonti di distorsione del segnale possono essere classificate come lineari o non lineari. Si differenziano in termini di generazione di armoniche. Le fonti di distorsione non lineare generano armoniche man mano che un segnale si propaga attraverso la fonte, mentre le fonti di distorsione del segnale lineare non generano armoniche. Entrambe le fonti di distorsione possono alterare la magnitudine e la fase dei componenti di frequenza che costituiscono un segnale.

Le diverse fonti di distorsione del segnale influenzeranno diversi tipi di segnali (analogici o digitali) in modi diversi, a seconda della larghezza di banda della fonte di distorsione e del contenuto di frequenza nel segnale particolare. Diverse fonti di distorsione del segnale hanno anche effetti diversi sui segnali modulati, a seconda del tipo di modulazione.

Ovviamente, l'ampiezza delle diverse fonti di distorsione del segnale è ampia e non possiamo coprire ogni fonte in dettaglio. Tuttavia, possiamo riassumere alcune importanti fonti di distorsione del segnale lineare e non lineare nelle tracce e nei componenti del tuo PCB.

Fonti di Distorsione del Segnale Lineare

• Risposta in frequenza e distorsione di fase. Se sei familiare con le simulazioni di sweep in frequenza nei circuiti lineari, allora sai che una funzione di trasferimento definisce il cambiamento in fase e ampiezza di un segnale in un circuito lineare. La funzione di trasferimento di un circuito, componente specifico o interconnessione applicherà uno sfasamento e regolerà la magnitudine del segnale. Questi cambiamenti nella fase e nella magnitudine sono funzioni della frequenza e sono visualizzati in un grafico di Bode. Ciò significa che componenti di frequenza diversi sono ritardati di quantità diverse, e questi componenti di frequenza diversi sono amplificati o attenuati di quantità diverse.

• Discontinuità. Questa ampia classe di fonti di distorsione include discontinuità di impedenza lungo un'interconnessione (ad es., tramite e geometria delle tracce) e discontinuità nelle proprietà dei materiali (ad es., dall'effetto della tessitura delle fibre).

• Distorsione da dispersione. Questa nasce a causa della dispersione in un substrato di PCB, nei conduttori e in qualsiasi altro materiale nella tua scheda. Questa fonte di distorsione è inevitabile, sebbene possa essere abbastanza piccola da non essere notata quando le lunghezze delle interconnessioni sono brevi. La dispersione nel substrato causa componenti di frequenza diversi in un segnale digitale per viaggiare lungo una traccia a velocità diverse. La dispersione influisce anche sul tangente di perdita visto da un segnale su una traccia, contribuendo alla distorsione del segnale. Ciò causa un allungamento dell'impulso (cioè, la velocità di gruppo diventa dipendente dalla frequenza), simile a ciò che accade nei laser ultrafast senza compensazione della dispersione.

Una soluzione per compensare la dispersione in un'interconnessione di PCB è utilizzare un algoritmo DSP, o utilizzare un substrato stratificato con tessitura alternata di dispersione di velocità di gruppo positiva e negativa in modo tale che la dispersione netta sia zero nell'intervallo di frequenza rilevante. Questo argomento particolare è abbastanza ampio da meritare un articolo a sé. Dai un'occhiata a questo eccellente articolo su Signal Integrity Journal per una discussione completa sulla dispersione nelle tracce dei PCB.

La dispersione è lo stesso effetto che causa la separazione della luce da un prisma

Fonti di Distorsione del Segnale Non Lineari

• Risposta in frequenza non lineare e distorsione di fase. Allo stesso modo del caso lineare, i circuiti non lineari possono distorcere le componenti di frequenza di un segnale in misura diversa, a seconda della frequenza e del livello del segnale di ingresso. Questo si verifica in amplificatori, componenti ferritici e altri dispositivi basati su transistor una volta che raggiungono la saturazione.

• Distorsione di intermodulazione. Questo tipo di distorsione di ampiezza (sia la varietà attiva che passiva) si verifica quando due componenti di frequenza sono inseriti in un circuito non lineare. Questo si verifica nei dispositivi compatibili con 5G poiché i due segnali utilizzati per l'aggregazione delle portanti interferiscono l'uno con l'altro (intermodulazione passiva). Si verifica anche in qualsiasi componente non lineare che viene utilizzato per manipolare un segnale modulato, come negli amplificatori di potenza in una catena di segnale RF.

• Distorsione armonica. Questo è il secondo tipo di distorsione di ampiezza. Si verifica quando un segnale viene inserito in un componente o circuito che satura. Di fatto, ciò causa il livellamento dell'ampiezza di un segnale (chiamato clipping) una volta che l'ingresso supera un certo livello.

Segnali Analogici

I segnali armonici sono effettivamente immuni alla risposta in frequenza lineare e alla distorsione di fase. Come esempio, un filtro o un circuito amplificatore passivo (come un oscillatore LC) indurrà uno spostamento di fase e un cambiamento nell'ampiezza del segnale di ingresso, ma non verranno generati armonici aggiuntivi. Lo stesso vale per la distorsione da dispersione poiché il segnale contiene solo una componente di frequenza. Le discontinuità possono distorcere il segnale mentre viaggia lungo un interconnettore, creando effettivamente copie del segnale a ampiezza ridotta che sono sovrapposte all'originale.

Tutte le fonti di distorsione non lineare causano la generazione di armoniche nei segnali analogici. L'unico modo per risolvere questi problemi è lavorare nel range lineare per tutti i componenti e impedire l'adattamento di impedenza. Anche le imperfezioni nella fabbricazione dei componenti e la rugosità sulle tracce di microstrip e stripline sono responsabili della distorsione non lineare alle frequenze mmWave.

Segnali Digitali

Poiché i segnali digitali sono composti da molteplici componenti di frequenza, sono particolarmente sensibili alla risposta in frequenza e alla distorsione di fase. Nel caso lineare, ciò causa il ritardo e l'attenuazione di diverse componenti di frequenza in misura diversa. Il risultato è un cambiamento nella forma del componente. Se si aggiungono discontinuità e dispersione, parti del segnale possono essere ritardate, allungando effettivamente il segnale. Nel caso di riflessioni del segnale in punti di discontinuità dell'impedenza, ciò può portare al ghosting quando la distanza tra due discontinuità è maggiore dell'estensione spaziale del segnale. Ciò può anche produrre la ben nota risposta a gradini nei segnali digitali osservata sulle linee di trasmissione.

Le riflessioni del segnale causate da discontinuità dell'impedenza possono produrre ghosting. Fonte dell'immagine: wirelesswaffle.com

Le fonti di distorsione del segnale non lineare causano anche la generazione di armoniche nei segnali digitali, creando cambiamenti unici nello spettro del segnale e nel dominio temporale. Quando un segnale in ingresso a un amplificatore cambia più velocemente di quanto possa rispondere l'amplificatore, si vedrà una distorsione di intermodulazione nell'uscita dall'amplificatore. Questo particolare tipo di distorsione del segnale è chiamato distorsione indotta dallo slew rate poiché è legata al tasso di variazione del segnale in ingresso.

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