PCB内の信号歪み：原因と解決策

高速信号の長さ合わせは、すべて同期に関するものです...

信号の歪みは、信号の整合性や回路分析に関する多くの議論でしばしば触れられるだけのものです。より多くのネットワーク製品が高速で動作し、複雑な変調方式を使用するようになると、信号の歪みがビットエラー率に寄与する深刻な問題となることがわかります。歪みの源は、電気的な相互接続でのデータレートの速度向上を妨げる主要なボトルネックの一つとして挙げられています。

同じ問題は、特に10GHz台の周波数で動作するアナログ信号においても見られます。RF/ワイヤレス領域の設計者は、設計、テスト、測定中にこれらの信号の歪み源を理解する必要があります。

線形対非線形の信号歪み

信号の歪みのすべての源は、線形または非線形として分類することができます。それらは調和波の生成という点で異なります。非線形歪みの源は、信号が源を通過する際に調和波を生成するのに対し、線形信号歪みの源は調和波を生成しません。歪みの両方の源は、信号を構成する周波数成分の大きさと位相を変更することができます。

信号の歪みの異なる源は、帯域幅の歪み源と特定の信号の周波数内容に依存して、異なるタイプの信号（アナログまたはデジタル）に異なる影響を与えます。信号の歪みの異なる源は、変調のタイプに応じて、変調された信号にも異なる影響を与えます。

明らかに、異なる信号の歪み源の範囲は広く、すべての源を詳細にカバーすることはできません。しかし、PCBトレースとコンポーネントにおける線形および非線形の信号歪みのいくつかの重要な源を要約することができます。

線形信号歪みの源

• 周波数応答と位相歪み。線形回路での周波数スイープシミュレーションに慣れている場合、伝達関数が線形回路内の信号の位相と振幅の変化を定義することを知っているでしょう。回路、特定のコンポーネント、または相互接続の伝達関数は位相シフトを適用し、信号の大きさを調整します。位相と振幅のこれらの変化は周波数の関数であり、ボード線図で視覚化されます。これは、異なる周波数成分が異なる量だけ遅延され、これらの異なる周波数成分が異なる量で増幅または減衰されることを意味します。

• 不連続。 この広範な歪み源には、相互接続に沿ったインピーダンスの不連続（例：ビアやトレースのジオメトリ）や材料特性の不連続（例：ファイバーウィーブ効果から）が含まれます。

• 分散歪み。これは、基板、導体、およびボード内の他の材料における分散によって生じます。この歪み源は避けられませんが、相互接続の長さが短い場合には気付かない程度に小さくすることができます。基板内の分散は、デジタル信号の異なる周波数成分がトレースを異なる速度で移動する原因となります。分散はまた、トレース上の信号によって見られる損失角度に影響を与え、信号歪みに寄与します。これにより、パルスが伸びる（つまり、群速度が周波数依存になる）ことが起こり、分散補償がない超高速レーザーで起こるのと同様です。

PCB相互接続で分散を補償する一つの解決策は、DSPアルゴリズムを使用するか、正と負の群速度分散を交互に持つ層状基板ウィーブを使用して、関連する周波数範囲での正味の分散がゼロになるようにすることです。この特定のトピックは十分に広範なため、独自の記事に値します。この優れた記事をSignal Integrity Journalで、PCBトレースの分散に関する完全な議論をご覧ください。

分散はプリズムが光を分割するのと同じ効果を引き起こす

非線形信号歪み源

• 非線形周波数応答と位相歪み。 線形の場合と同様に、非線形回路は信号内の周波数成分を、周波数と入力信号レベルに応じて異なる量で歪ませることがあります。これは、アンプ、フェライトコンポーネント、および飽和に達した他のトランジスタベースのデバイスで発生します。

• 相互変調歪み。 この種の振幅歪み（能動的および受動的な種類）は、2つの周波数成分が非線形回路に入力されたときに発生します。これは、キャリアアグリゲーションに使用される2つの信号が互いに干渉する（受動的相互変調）ため、5G対応デバイスで発生します。また、変調信号を操作するために使用される任意の非線形コンポーネント、例えばRF信号チェーン内のパワーアンプで発生します。

• 高調波歪み。これは振幅歪みの2番目のタイプです。これは、信号が飽和するコンポーネントまたは回路に入力されたときに発生します。実際には、入力が特定のレベルを超えると、信号の振幅が平準化（クリッピングと呼ばれる）することを意味します。

アナログ信号

高調波信号は、線形周波数応答と位相歪みに対して実質的に免疫があります。例として、フィルターや受動アンプ回路（LCオシレーターなど）は入力信号の位相シフトと振幅の変化を引き起こしますが、追加の高調波は生成されません。同じことが分散歪みにも当てはまり、信号には単一の周波数成分のみが含まれます。不連続性は、信号がインターコネクトを通過する際に信号を歪ませ、元の信号に重ね合わされた低振幅のコピーを実質的に生成することがあります。

すべての非線形歪み源はアナログ信号で高調波生成を引き起こします。これらの問題を解決する唯一の方法は、すべてのコンポーネントで線形範囲で作業し、インピーダンスマッチングを強制することです。コンポーネントの製造不良、マイクロストリップおよびストリップライントレースの粗さも、mmWave周波数での非線形歪みの原因となります。

デジタル信号

デジタル信号は複数の周波数成分で構成されているため、周波数応答と位相歪みに特に敏感です。線形の場合、これにより異なる周波数成分が異なる量で遅延され、減衰されます。その結果、コンポーネントの形状が変化します。不連続性と分散が混在すると、信号の一部が遅延し、信号が実質的に伸びることがあります。インピーダンス不連続性での信号反射の場合、2つの不連続性の間の距離が信号の空間的範囲よりも長いと、ゴースト現象が発生することがあります。これはまた、伝送線上で見られるデジタル信号のよく知られた階段応答を生じさせることもあります。

インピーダンスの不連続性からの信号反射はゴースティングを引き起こすことがあります。画像出典: wirelesswaffle.com

非線形信号歪み源は、デジタル信号においても高調波の生成を引き起こし、信号スペクトルと時間領域において独自の変化を生み出します。アンプへの信号入力がアンプの応答速度よりも速い場合、アンプの出力には相互変調歪みが見られます。この特定のタイプの信号歪みは、入力信号のスルーレートに関連しているため、スルー誘発歪みと呼ばれます。

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