Distorção de Sinal na Sua PCB: Fontes e Soluções

A correspondência de comprimento para sinais de alta velocidade é toda sobre sincronização...

A distorção de sinal muitas vezes é mencionada de passagem em muitas discussões sobre integridade de sinal e análise de circuito. À medida que mais produtos de rede operam em velocidades mais altas e usam esquemas de modulação complicados, você descobrirá que a distorção de sinal se torna um problema sério que contribui para as taxas de erro de bit. Fontes de distorção são citadas como um dos principais gargalos que impedem taxas de dados mais rápidas em interconexões elétricas.

Os mesmos problemas podem ser vistos em sinais analógicos, particularmente aqueles que operam em frequências de dezenas de GHz. Mais projetistas no domínio RF/wireless precisarão entender essas fontes de distorção de sinal durante o projeto, teste e medição.

Distorção de Sinal Linear vs. Não Linear

Todas as fontes de distorção de sinal podem ser classificadas como lineares ou não lineares. Elas diferem em termos de geração de harmônicos. Fontes de distorção não linear geram harmônicos à medida que um sinal se propaga através da fonte, enquanto fontes de distorção de sinal linear não geram harmônicos. Ambas as fontes de distorção podem alterar a magnitude e a fase dos componentes de frequência que compõem um sinal.

As diferentes fontes de distorção de sinal afetarão diferentes tipos de sinais (analógicos ou digitais) de maneiras diferentes, dependendo da largura de banda da fonte de distorção e do conteúdo de frequência no sinal específico. Diferentes fontes de distorção de sinal também têm diferentes efeitos em sinais modulados, dependendo do tipo de modulação.

Obviamente, a amplitude de diferentes fontes de distorção de sinal é ampla e não podemos cobrir cada fonte em detalhe. No entanto, podemos resumir algumas fontes importantes de distorção de sinal linear e não linear em suas trilhas e componentes de PCB.

Fontes de Distorção de Sinal Linear

• Resposta de frequência e distorção de fase. Se você está familiarizado com simulações de varredura de frequência em circuitos lineares, então sabe que uma função de transferência define a mudança de fase e amplitude de um sinal em um circuito linear. A função de transferência de um circuito, componente específico ou interconexão aplicará um deslocamento de fase e ajustará a magnitude do sinal. Essas mudanças na fase e magnitude são funções da frequência e são visualizadas em um gráfico de Bode. Isso significa que diferentes componentes de frequência são atrasados por diferentes quantidades, e esses diferentes componentes de frequência são amplificados ou atenuados por diferentes quantidades.

• Descontinuidades. Esta ampla classe de fontes de distorção inclui descontinuidades de impedância ao longo de uma interconexão (por exemplo, vias e geometria de trilhas) e descontinuidades nas propriedades dos materiais (por exemplo, devido ao efeito da trama de fibra).

• Distorção por dispersão. Isso ocorre devido à dispersão em um substrato de PCB, condutores e qualquer outro material em sua placa. Esta fonte de distorção é inevitável, embora possa ser pequena o suficiente para ser imperceptível quando os comprimentos de interconexão são curtos. A dispersão no substrato faz com que diferentes componentes de frequência em um sinal digital viajem ao longo de uma trilha em diferentes velocidades. A dispersão também afeta o tangente de perda visto por um sinal em uma trilha, o que contribui para a distorção do sinal. Isso causa um estiramento do pulso (ou seja, a velocidade do grupo torna-se dependente da frequência), semelhante ao que acontece em lasers ultra-rápidos sem compensação de dispersão.

Uma solução para compensar a dispersão em uma interconexão de PCB é usar um algoritmo DSP, ou usar um substrato em camadas com trama alternada de velocidade de grupo positiva e negativa de modo que a dispersão líquida seja zero na faixa de frequência relevante. Este tópico específico é amplo o suficiente para merecer seu próprio artigo. Dê uma olhada neste excelente artigo no Signal Integrity Journal para uma discussão completa sobre dispersão em trilhas de PCB.

A dispersão é o mesmo efeito que faz com que um prisma divida a luz

Fontes de Distorção de Sinal Não Linear

• Resposta de frequência não linear e distorção de fase. Da mesma forma que no caso linear, circuitos não lineares podem distorcer componentes de frequência em um sinal por diferentes quantidades, dependendo da frequência e do nível do sinal de entrada. Isso ocorre em amplificadores, componentes ferríticos e outros dispositivos baseados em transistores uma vez que alcançam a saturação.

• Distorção de intermodulação. Este tipo de distorção de amplitude (tanto a variedade ativa quanto passiva) ocorre quando dois componentes de frequência são inseridos em um circuito não linear. Isso ocorre em dispositivos compatíveis com 5G à medida que os dois sinais usados para agregação de portadora interferem um no outro (intermodulação passiva). Também ocorre em qualquer componente não linear que é usado para manipular um sinal modulado, como em amplificadores de potência em uma cadeia de sinal RF.

• Distorção harmônica. Este é o segundo tipo de distorção de amplitude. Isso ocorre quando um sinal é inserido em um componente ou circuito que satura. Na prática, isso faz com que a amplitude de um sinal se nivele (chamado de clipping) uma vez que a entrada excede um certo nível.

Sinais Analógicos

Os sinais harmônicos são efetivamente imunes à resposta de frequência linear e distorção de fase. Como exemplo, um filtro ou circuito amplificador passivo (como um oscilador LC) induzirá um deslocamento de fase e mudança na amplitude do sinal de entrada, mas nenhuma harmônica adicional será gerada. O mesmo se aplica à distorção por dispersão, pois o sinal contém apenas um componente de frequência. Descontinuidades podem distorcer o sinal à medida que ele viaja ao longo de uma interconexão, criando efetivamente cópias de amplitude mais baixa do sinal que são superpostas ao original.

Todas as fontes de distorção não linear causam geração de harmônicas em sinais analógicos. A única maneira de resolver esses problemas é trabalhar na faixa linear para todos os componentes e enforçar a correspondência de impedância. Imperfeições na fabricação de componentes e rugosidade em trilhas de microstrip e stripline também são responsáveis pela distorção não linear em frequências de mmWave.

Sinais Digitais

Como os sinais digitais são compostos por múltiplos componentes de frequência, eles são particularmente sensíveis à resposta de frequência e distorção de fase. No caso linear, isso faz com que diferentes componentes de frequência sejam atrasados e atenuados por diferentes quantidades. O resultado é uma mudança na forma do componente. Se descontinuidades e dispersão forem adicionadas à mistura, partes do sinal podem ser atrasadas, efetivamente esticando o sinal. No caso de reflexos de sinal em descontinuidades de impedância, isso pode levar ao efeito fantasma quando a distância entre duas descontinuididades é maior do que o alcance espacial do sinal. Isso também pode produzir a conhecida resposta em degraus em sinais digitais vista em linhas de transmissão.

Reflexões de sinal devido a descontinuidades de impedância podem produzir fantasmas. Fonte da imagem: wirelesswaffle.com

Fontes de distorção de sinal não linear também causam a geração de harmônicos em sinais digitais, criando mudanças únicas no espectro do sinal e no domínio do tempo. Quando um sinal de entrada em um amplificador muda mais rápido do que um amplificador pode responder, a distorção de intermodulação será vista na saída do amplificador. Esse tipo particular de distorção de sinal é chamado de distorção induzida por slew, pois está relacionada à taxa de variação do sinal de entrada.

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