Как анализировать фазовые искажения на линии передачи

Основная цель в области целостности сигнала заключается в том, чтобы обеспечить, чтобы сигнал, отправленный компонентом-драйвером на печатной плате, прибыл к компоненту-приемнику с минимальными отличиями между двумя сигналами. Сигнал у приемника никогда не будет идеально совпадать с сигналом, отправленным драйвером, но если попытаться, можно обычно добиться близости. В случае с очень высокоскоростными последовательными протоколами, если искажение минимально, приемник может легко восстановить сигнал через эквализацию.

Когда мы думаем об искажении сигнала, соблазнительно сразу думать о нелинейном искажении, таком как гармоническое искажение, вызванное усилителем. Однако линейные каналы также создают искажения, даже если обрезка не происходит. Так откуда берется это линейное искажение? Одна из форм, которая часто иногда упускается из виду, - это фазовое искажение в линии передачи, которое изменяет временной сигнал, видимый на приемнике. Так как же разработчики могут учитывать эту форму искажения на линии передачи? Читайте дальше, чтобы узнать об этом аспекте искажения сигнала и почему это важно для высокоскоростных сигналов на печатной плате.

Что такое фазовое искажение в линии передачи?

Фазовое искажение является лишь одной из форм искажения сигнала, которое может возникнуть в линии передачи на печатной плате (PCB). Фазовое искажение возникает, когда различные частоты распространяются с разной скоростью сигнала из-за диэлектрической дисперсии в субстрате PCB. Поскольку диэлектрическая проницаемость варьируется в зависимости от частоты, скорость сигнала также изменяется в зависимости от частоты. В результате различные частотные компоненты в реальной линии передачи распространяются с разными скоростями.

Фазовая скорость

Это изменение скорости сигнала в зависимости от частоты количественно определяется с помощью фазовой скорости. Короче говоря, фазовая скорость определяется в терминах угловой частоты и постоянной распространения на межсоединении:

Термин «фазовая скорость» обычно не обсуждается среди цифровых дизайнеров, но он жизненно важен для дизайнеров волноводов и, в общем, для дизайнеров РЧ. Когда фазовая скорость является постоянной (то есть не функцией частоты), все частотные компоненты, составляющие спектр Фурье произвольного цифрового сигнала, будут распространяться с одинаковой скоростью. Когда фазовая скорость является функцией частоты, всегда будет присутствовать фазовое искажение. В реальных линиях передачи это всегда так, это просто вопрос степени и того, создадут ли различные источники искажений серьезные проблемы с целостностью сигнала на линии передачи.

Другие источники искажений

Обратите внимание, что в вышеизложенном обсуждении я упомянул только фазовое искажение в линии передачи из-за диэлектрической дисперсии. Также существуют следующие источники искажений:

• Геометрическая дисперсия: Это происходит в реальной линии передачи из-за формы линии передачи и граничных условий, наложенных на волновое уравнение для линии передачи.
• Модальные искажения в волноводах: Все волноводы имеют специфические собственные моды, которые будут вызывать, что постоянная распространения для распространяющихся мод будет функцией квадратного корня от частоты, чуть выше частоты среза моды.
• Искажение затухания: Даже в низкопотерьных ламинатах, постоянная распространения для линии передачи будет комплексным числом. И действительная, и мнимая части являются функциями частоты.
• Шероховатость меди: На реальных печатных платах всегда есть некоторая шероховатость меди на реальной линии передачи. Шероховатость меди также является источником дисперсии из-за скин-эффекта и причинности.
• Эффекты переплетения волокон: Это все еще активная область исследований (в том числе и моих) из-за псевдослучайной природы геометрии переплетения волокон. Приблизительно периодический характер переплетения волокон в реальных ламинатах печатных плат может изменять дисперсию во всех вышеупомянутых областях.
• Согласование импеданса и длина линии: Верите или нет, но согласование импеданса и длина линии влияют на искажение в линии передачи. Это связано с тем, что даже при согласовании резистивного импеданса, импеданс нагрузки приемного компонента является реактивным из-за входной емкости компонента.

Все эти эффекты вместе приводят к определенному общему количеству дисперсии в линии передачи, и все они способствуют фазовому искажению. Исключение составляет искажение затухания, которое вызывает только затухание на разных частотах: компоненты разных частот будут двигаться с одинаковой скоростью, но они будут иметь разные уровни затухания во время передачи. Есть один фактор, который хорошо обобщает все это поведение в линии передачи (и это не параметры S!): передаточная функция линии передачи.

Фаза Имеет Значение в Передаточной Функции Линии Передачи

Фаза передаточной функции важна, поскольку это ваша подсказка о том, что в цепи, включая линию передачи, будет некоторое фазовое искажение. Короче говоря, если фаза передаточной функции линии является чисто линейной функцией частоты, то фазовых искажений не будет. Однако может возникнуть искажение амплитуды.

Чтобы увидеть это более ясно, давайте рассмотрим пример на основе реальных данных полосковой линии. Ниже представлены графики передаточной функции (амплитуды и фазы) полосковой линии длиной 25 см с согласованием импеданса источника и нагрузки до 50 Ом на ламинате для печатных плат 2106. Приемник имеет входную емкость 1 пФ (это довольно много для некоторых компонентов высокой скорости, но это хороший пример). Эта передаточная функция использует коэффициент коррекции причинности, полученный в работе Чжан и др. (2009).

Из графика амплитуды мы сразу видим, что линия передачи действует как фильтр нижних частот, как и ожидалось! Однако здесь мы видим, что фаза передаточной функции нелинейна, поэтому мы знаем, что будет фазовое искажение.

Пример с ограниченным по полосе сигналом

Чтобы увидеть это ясно, я использовал приближение 7-го порядка для входного потока битов с 1 В цифровых импульсов. По сути, полоса пропускания входного сигнала ограничена примерно 2 ГГц, что потребует как минимум 4 ГГц полосы пропускания на приемнике для восстановления сигнала. Используя передаточную функцию и рассчитывая обратное преобразование Фурье, мы можем сравнить форму волны, видимую на приемнике, с формой волны, изначально поданной на линию передачи:

Этот результат нормальный? Довольно очевидно, что когда передаточная функция имеет нелинейную фазу, на линии передачи происходит значительное искажение фазы. Для сравнения давайте посмотрим на ту же линию, но с дисперсией скорости фазы, установленной на ноль путем установки фазы передаточной функции в ноль. Ниже приведен график выходного сигнала, рассчитанный тем же способом:

Вау! Ясно, что плоская фаза имеет огромное значение! Мы видим, что сигнал на приемнике значительно ослаблен, как и ожидалось, но выходной сигнал очень тесно соответствует форме входного сигнала. Компоненты более высокой частоты ослаблены, как и предполагалось, но очевидно, что наш сигнал с ограниченной полосой в 2 ГГц все еще в значительной степени сохранен и имеет минимальные искажения.

Если вы знакомы с теорией линий передачи, то вы знаете, что условие Хевисайда может быть использовано для определения дизайна линии передачи с минимизированными искажениями. К сожалению, наличие широкополосного дисперсионного распространения от множества источников делает попытки проектирования в соответствии с условием Хевисайда на протяжении всей соответствующей полосы пропускания сигнала невозможными, особенно поскольку современные протоколы серийной передачи высокой скорости имеют полосы пропускания, охватывающие многие десятки ГГц. Я продолжу обсуждение этого аспекта дизайна широкополосных соединений в будущих статьях, но на данный момент важно иметь инструменты, которые помогут вам экспериментировать с различными дизайнами линий передачи, пока вы пытаетесь достичь минимальных искажений и минимального отклонения импеданса в пределах некоторой заданной толерантности.

Если вы являетесь разработчиком печатных плат, вам не нужно вручную выполнять расчеты искажения фазы, вам просто нужно использовать правильный набор инструментов для трассировки и моделирования ПП. Модуль трассировки в Altium Designer® включает в себя интегрированный решатель электромагнитного поля от Simberian, который учитывает поведение широкополосных сигналов и может помочь вам спроектировать линии передачи с минимальными отклонениями импеданса на стандартных ламинатах и тканях для печатных плат. Вы также можете использовать интегрированные инструменты предварительного и постлайаутного моделирования для извлечения передаточной функции и определения искажения фазы в линии передачи.
 
Когда вы завершили свой проект и хотите поделиться им, платформа Altium 365™ позволяет легко сотрудничать с другими разработчиками. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете проверить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.