PCB에서의 신호 왜곡: 원인과 해결책

고속 신호의 길이 매칭은 모두 동기화에 관한 것입니다...

신호 왜곡은 신호 무결성과 회로 분석에 대한 많은 논의에서 종종 언급됩니다. 더 많은 네트워킹 제품이 더 높은 속도로 작동하고 복잡한 변조 방식을 사용함에 따라, 신호 왜곡이 비트 오류율에 기여하는 심각한 문제가 되고 있습니다. 왜곡 원인은 전기적 연결에서 더 빠른 데이터 속도를 방해하는 주요 병목 현상으로 지적되고 있습니다.

동일한 문제는 10GHz 주파수대에서 작동하는 아날로그 신호에서도 볼 수 있습니다. RF/무선 분야의 더 많은 설계자들이 설계, 테스트 및 측정 중에 이러한 신호 왜곡 원인을 이해할 필요가 있습니다.

선형 대 비선형 신호 왜곡

신호 왜곡의 모든 원인은 선형 또는 비선형으로 분류될 수 있습니다. 이들은 고조파 생성 측면에서 차이가 있습니다. 비선형 왜곡 원인은 신호가 원인을 통과할 때 고조파를 생성하는 반면, 선형 신호 왜곡 원인은 고조파를 생성하지 않습니다. 왜곡의 두 원인 모두 신호를 구성하는 주파수 성분의 크기와 위상을 변경할 수 있습니다.

신호 왜곡의 다양한 원인은 왜곡 원인의 대역폭과 특정 신호의 주파수 내용에 따라 다른 유형의 신호(아날로그 또는 디지털)에 다르게 영향을 미칩니다. 신호 왜곡의 다른 원인은 변조 유형에 따라 변조된 신호에도 다른 영향을 미칩니다.

명백하게, 다양한 신호 왜곡 원인의 범위는 넓고 모든 원인을 자세히 다룰 수는 없습니다. 그러나, PCB 트레이스와 구성 요소에서 선형 및 비선형 신호 왜곡의 몇 가지 중요한 원인을 요약할 수 있습니다.

선형 신호 왜곡 원인

• 주파수 응답과 위상 왜곡. 선형 회로에서 주파수 스윕 시뮬레이션에 익숙하다면, 전달 함수가 선형 회로에서 신호의 위상과 진폭 변화를 정의한다는 것을 알고 있을 것입니다. 회로, 특정 구성 요소 또는 연결부의 전달 함수는 위상 이동을 적용하고 신호의 크기를 조정합니다. 이러한 위상과 크기의 변화는 주파수의 함수이며 보드 플롯에서 시각화됩니다. 이는 다른 주파수 구성 요소가 다른 양으로 지연되고, 이 다른 주파수 구성 요소가 다른 양으로 증폭되거나 감쇠된다는 것을 의미합니다.

• 불연속성. 이 왜곡 소스의 넓은 범주에는 연결부를 따라 임피던스 불연속성(예: 비아 및 트레이스 기하학)과 재료 특성의 불연속성(예: 섬유 직조 효과)이 포함됩니다.

• 분산 왜곡. 이는 PCB 기판의 분산, 도체 및 기판에 있는 다른 모든 재료로 인해 발생합니다. 이 왜곡 원인은 피할 수 없지만, 연결 길이가 짧을 때는 눈에 띄지 않을 정도로 작을 수 있습니다. 기판의 분산은 디지털 신호의 다른 주파수 구성 요소가 트레이스를 따라 다른 속도로 이동하게 합니다. 분산은 또한 트레이스에서 신호가 보는 손실 탄젠트에 영향을 미쳐 신호 왜곡에 기여합니다. 이는 펄스가 늘어나게 하여(즉, 군속도가 주파수에 따라 달라짐) 분산 보상 없이 초고속 레이저에서 발생하는 것과 유사한 현상을 일으킵니다.

PCB 연결부에서 분산을 보상하는 한 가지 해결책은 DSP 알고리즘을 사용하거나, 관련 주파수 범위에서 순 분산이 0이 되도록 양의 및 음의 군속도 분산이 교대로 있는 층상 기판 직조를 사용하는 것입니다. 이 특정 주제는 충분히 넓어서 자체 기사가 필요합니다. PCB 트레이스에서의 분산에 대한 완전한 논의를 위해 Signal Integrity Journal의 이 훌륭한 기사를 살펴보세요.

분산은 프리즘으로 빛을 분리하는 것과 동일한 효과를 일으킵니다

비선형 신호 왜곡 원인

• 비선형 주파수 응답 및 위상 왜곡. 선형 경우와 마찬가지로, 비선형 회로는 주파수와 입력 신호 레벨에 따라 신호의 주파수 구성 요소를 다르게 왜곡할 수 있습니다. 이는 증폭기, 페라이트 구성 요소 및 포화에 도달한 기타 트랜지스터 기반 장치에서 발생합니다.

• 상호 변조 왜곡. 이 유형의 진폭 왜곡(능동 및 수동 변형 모두)은 두 주파수 구성 요소가 비선형 회로에 입력될 때 발생합니다. 이는 두 신호가 캐리어 집계에 사용되는 5G 지원 장치에서 서로 간섭하는 경우(수동 상호 변조)와 변조된 신호를 조작하는 데 사용되는 모든 비선형 구성 요소, 예를 들어 RF 신호 체인의 전력 증폭기에서 발생합니다.

• 고조파 왜곡. 이것은 두 번째 유형의 진폭 왜곡입니다. 이는 신호가 포화되는 구성 요소나 회로에 입력될 때 발생합니다. 실제로, 이는 입력이 특정 수준을 초과하면 신호의 진폭이 일정하게 유지되게 됩니다(클리핑이라고 함).

아날로그 신호

고조파 신호는 선형 주파수 응답 및 위상 왜곡에 효과적으로 면역입니다. 예를 들어, 필터나 수동 증폭 회로(LC 발진기와 같은)는 입력 신호의 위상 이동과 진폭 변화를 유발하지만 추가 고조파는 생성되지 않습니다. 신호에 단일 주파수 구성 요소만 포함되어 있기 때문에 분산 왜곡에도 동일하게 적용됩니다. 연결선을 따라 신호가 이동하면서 불연속성이 신호를 왜곡할 수 있으며, 이는 원본에 중첩된 신호의 진폭이 낮은 복사본을 실제로 생성합니다.

모든 비선형 왜곡 원인은 아날로그 신호에서 고조파 생성을 유발합니다. 이 문제를 해결하는 유일한 방법은 모든 구성 요소를 선형 범위에서 작동시키고 임피던스 매칭을 적용하는 것입니다. 구성 요소 제조의 불완전성과 마이크로스트립 및 스트립라인 트레이스의 거칠기도 mmWave 주파수에서 비선형 왜곡을 유발하는 원인입니다.

디지털 신호

디지털 신호는 여러 주파수 구성 요소로 구성되어 있기 때문에 주파수 응답 및 위상 왜곡에 특히 민감합니다. 선형 경우에는 이로 인해 다른 주파수 구성 요소가 다른 양으로 지연되고 감쇠됩니다. 결과적으로 구성 요소의 형태가 변경됩니다. 불연속성과 분산이 혼합되면 신호의 일부가 지연되어 신호가 신장될 수 있습니다. 임피던스 불연속성에서 신호 반사가 발생하는 경우, 두 불연속성 사이의 거리가 신호의 공간적 범위보다 길면 유령 현상이 발생할 수 있습니다. 이는 전송선에서 볼 수 있는 디지털 신호의 잘 알려진 계단 응답을 생성할 수도 있습니다.

임피던스 불연속성으로 인한 신호 반사는 유령 현상을 일으킬 수 있습니다. 이미지 출처: wirelesswaffle.com

비선형 신호 왜곡 원인은 디지털 신호에서 고유한 스펙트럼 및 시간 영역의 변화를 일으키는 고조파 생성을 유발합니다. 증폭기가 반응할 수 있는 것보다 빠르게 전환되는 신호 입력은 증폭기의 출력에서 상호변조 왜곡이 관찰됩니다. 이 특정한 유형의 신호 왜곡은 입력 신호의 슬루율과 관련이 있어 슬루율 유발 왜곡이라고 불립니다.

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