Zniekształcenie sygnału na Twojej płytce PCB: Źródła i rozwiązania

Dopasowanie długości dla sygnałów wysokiej prędkości polega na synchronizacji...

Zniekształcenie sygnału często jest wspominane en passant w wielu dyskusjach na temat integralności sygnału i analizy obwodów. W miarę jak coraz więcej produktów sieciowych pracuje z wyższymi prędkościami i używa skomplikowanych schematów modulacji, zauważysz, że zniekształcenie sygnału staje się poważnym problemem, który przyczynia się do wskaźnika błędów bitowych. Źródła zniekształceń są wymieniane jako jedno z głównych ograniczeń uniemożliwiających szybsze prędkości transmisji danych w połączeniach elektrycznych.

Te same problemy można zaobserwować w sygnałach analogowych, szczególnie tych, które działają na częstotliwościach rzędu dziesiątek GHz. Więcej projektantów w dziedzinie RF/bezprzewodowej będzie musiało zrozumieć te źródła zniekształceń sygnału podczas projektowania, testowania i pomiarów.

Zniekształcenie sygnału liniowego vs nieliniowego

Wszystkie źródła zniekształceń sygnału można zaklasyfikować jako liniowe lub nieliniowe. Różnią się one pod względem generacji harmonicznych. Źródła zniekształceń nieliniowych generują harmoniczne, gdy sygnał propaguje przez źródło, podczas gdy źródła zniekształceń liniowych nie generują harmonicznych. Oba źródła zniekształceń mogą zmieniać wielkość i fazę składowych częstotliwości, które tworzą sygnał.

Różne źródła zniekształceń sygnału będą miały różny wpływ na różne rodzaje sygnałów (analogowe lub cyfrowe) w zależności od pasma źródła zniekształceń i zawartości częstotliwości w danym sygnale. Różne źródła zniekształceń sygnału mają również różne efekty na sygnały zmodulowane, w zależności od rodzaju modulacji.

Oczywiście zakres różnych źródeł zniekształceń sygnału jest szeroki i nie możemy omówić każdego źródła szczegółowo. Jednak możemy podsumować kilka ważnych źródeł zniekształceń liniowych i nieliniowych w ścieżkach i komponentach twojej PCB.

Źródła zniekształceń sygnału liniowego

• Odpowiedź częstotliwościowa i zniekształcenie fazowe. Jeśli jesteś zaznajomiony z symulacjami przesunięcia częstotliwości w obwodach liniowych, to wiesz, że funkcja przenoszenia określa zmianę fazy i amplitudy sygnału w obwodzie liniowym. Funkcja przenoszenia obwodu, konkretnego komponentu lub połączenia wprowadza przesunięcie fazowe i dostosowuje wielkość sygnału. Te zmiany w fazie i amplitudzie są funkcjami częstotliwości i są wizualizowane na wykresie Bodego. Oznacza to, że różne składowe częstotliwości są opóźniane o różne kwoty, a te różne składowe częstotliwości są wzmacniane lub tłumione o różne kwoty.

• Nieciągłości. Ta szeroka klasa źródeł zniekształceń obejmuje nieciągłości impedancji wzdłuż połączenia (np. przelotki i geometria ścieżek) oraz nieciągłości w właściwościach materiałów (np. z efektu splotu włókien).

• Zniekształcenie dyspersyjne. Powstaje to z powodu dyspersji w podłożu PCB, przewodnikach i wszelkich innych materiałach na twojej płytce. To źródło zniekształceń jest nieuniknione, chociaż może być na tyle małe, że jest niezauważalne, gdy długości połączeń są krótkie. Dyspersja w podłożu powoduje, że różne składowe częstotliwości w sygnale cyfrowym podróżują wzdłuż ścieżki z różnymi prędkościami. Dyspersja wpływa również na tangens strat widziany przez sygnał na ścieżce, co przyczynia się do zniekształcenia sygnału. Powoduje to rozciągnięcie impulsu (tj. prędkość grupowa staje się zależna od częstotliwości), podobnie jak to ma miejsce w laserach ultra-szybkich bez kompensacji dyspersji.

Jednym z rozwiązań kompensacji dyspersji w połączeniu PCB jest użycie algorytmu DSP, lub użycie podłoża warstwowego z naprzemiennie dodatnią i ujemną dyspersją prędkości grupowej, tak aby całkowita dyspersja była równa zero w odpowiednim zakresie częstotliwości. Ten konkretny temat jest na tyle szeroki, że zasługuje na osobny artykuł. Zapoznaj się z tym doskonałym artykułem w Signal Integrity Journal, aby uzyskać kompletną dyskusję na temat dyspersji w ścieżkach PCB.

Dyspersja to ten sam efekt, który powoduje, że pryzmat rozdziela światło

Źródła nieliniowych zniekształceń sygnału

• Nieliniowa odpowiedź częstotliwościowa i zniekształcenie fazowe. Podobnie jak w przypadku układów liniowych, układy nieliniowe mogą zniekształcać składowe częstotliwości sygnału w różnym stopniu, w zależności od częstotliwości i poziomu sygnału wejściowego. Dzieje się to w wzmacniaczach, komponentach ferrytowych i innych urządzeniach opartych na tranzystorach, gdy osiągają one nasycenie.

• Zniekształcenie intermodulacyjne. Ten rodzaj zniekształcenia amplitudy (zarówno aktywny, jak i pasywny) występuje, gdy do układu nieliniowego wprowadzone są dwie składowe częstotliwości. Dzieje się to w urządzeniach obsługujących 5G, gdy dwa sygnały używane do agregacji nośnych zakłócają się nawzajem (pasywna intermodulacja). Występuje to również w każdym nieliniowym komponencie, który jest używany do manipulowania sygnałem modulowanym, na przykład w wzmacniaczach mocy w łańcuchu sygnałowym RF.

• Zniekształcenie harmoniczne. Jest to drugi rodzaj zniekształcenia amplitudy. Występuje, gdy sygnał jest wprowadzany do komponentu lub obwodu, który ulega nasyceniu. W efekcie powoduje to wyrównanie amplitudy sygnału (nazywane obcinaniem), gdy wejście przekracza pewien poziom.

Sygnały analogowe

Sygnały harmoniczne są skutecznie odporne na liniową odpowiedź częstotliwościową i zniekształcenie fazowe. Jako przykład, filtr lub pasywny obwód wzmacniający (takie jak oscylator LC) spowoduje przesunięcie fazowe i zmianę amplitudy sygnału wejściowego, ale nie zostaną wygenerowane dodatkowe harmoniczne. To samo dotyczy zniekształceń dyspersyjnych, ponieważ sygnał zawiera tylko jedną składową częstotliwości. Nieciągłości mogą zniekształcać sygnał podczas jego przemieszczania się wzdłuż połączenia, efektywnie tworząc kopie sygnału o niższej amplitudzie, które są nakładane na oryginał.

Wszystkie źródła nieliniowych zniekształceń powodują generowanie harmonicznych w sygnałach analogowych. Jedynym sposobem na rozwiązanie tych problemów jest praca w zakresie liniowym dla wszystkich komponentów i zapewnienie dopasowania impedancji. Niedoskonałości w produkcji komponentów oraz chropowatość na ścieżkach mikropaskowych i paskowych są również odpowiedzialne za nieliniowe zniekształcenia na częstotliwościach mmWave.

Sygnały cyfrowe

Ponieważ sygnały cyfrowe składają się z wielu składowych częstotliwości, są szczególnie wrażliwe na odpowiedź częstotliwościową i zniekształcenie fazowe. W przypadku liniowym powoduje to, że różne składowe częstotliwości są opóźniane i tłumione w różnym stopniu. Rezultatem jest zmiana kształtu składowej. Jeśli do mieszanki dodane zostaną nieciągłości i dyspersja, części sygnału mogą być opóźnione, efektywnie rozciągając sygnał. W przypadku odbić sygnału na nieciągłościach impedancji może to prowadzić do powstawania duchów, gdy odległość między dwoma nieciągłościami jest dłuższa niż przestrzenny zasięg sygnału. Może to również wywołać dobrze znane stopniowanie odpowiedzi w sygnałach cyfrowych obserwowane na liniach transmisyjnych.

Odbicia sygnału spowodowane nieciągłościami impedancji mogą powodować zjawisko duchów. Źródło obrazu: wirelesswaffle.com

Źródła nieliniowych zniekształceń sygnału powodują również generowanie harmonicznych w sygnałach cyfrowych, tworząc unikalne zmiany w widmie sygnału oraz w dziedzinie czasu. Gdy sygnał wejściowy do wzmacniacza zmienia się szybciej niż wzmacniacz może odpowiedzieć, na wyjściu wzmacniacza będzie widoczne zniekształcenie międzymodulacyjne. Ten szczególny rodzaj zniekształcenia sygnału nazywany jest zniekształceniem indukowanym przez szybkość narastania, ponieważ jest związany z szybkością narastania sygnału wejściowego.

Mocne narzędzia do analizy po układaniu ścieżek oraz narzędzia do symulacji schematów w Altium Designer^® są idealne do tworzenia i analizowania skomplikowanych układów PCB. Możesz badać efekty różnych źródeł zniekształceń sygnału wraz ze standardowymi narzędziami do projektowania PCB. Będziesz miał również kompletny zestaw narzędzi do dokumentowania wszystkich aspektów projektu, zarządzania łańcuchem dostaw i przygotowywania materiałów dla producenta.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.

Rozpocznij podróż do przejścia na Altium Designer już dziś.