Искажение сигнала на вашей печатной плате: источники и решения

Согласование длины для высокоскоростных сигналов связано с синхронизацией...

Искажение сигнала часто упоминается вскользь во многих обсуждениях, связанных с целостностью сигнала и анализом схем. По мере того как больше сетевых продуктов начинают работать на более высоких скоростях и используют сложные схемы модуляции, вы обнаружите, что искажение сигнала становится серьезной проблемой, способствующей увеличению ошибок передачи. Источники искажений называют одним из основных узких мест, препятствующих увеличению скорости передачи данных в электрических соединениях.

Те же проблемы можно наблюдать и в аналоговых сигналах, особенно тех, что работают на частотах в десятки ГГц. Большему количеству разработчиков в области РЧ/беспроводной связи потребуется понимание этих источников искажения сигнала в процессе проектирования, испытаний и измерений.

Линейные и нелинейные искажения сигнала

Все источники искажения сигнала можно классифицировать как линейные или нелинейные. Они отличаются с точки зрения генерации гармоник. Источники нелинейных искажений генерируют гармоники по мере распространения сигнала через источник, в то время как источники линейных искажений сигнала гармоники не генерируют. Оба типа источников искажений могут изменять величину и фазу частотных компонентов, составляющих сигнал.

Различные источники искажения сигнала будут влиять на разные типы сигналов (аналоговые или цифровые) различными способами, в зависимости от полосы пропускания источника искажения и частотного содержания в конкретном сигнале. Различные источники искажения сигнала также оказывают разное воздействие на модулированные сигналы в зависимости от типа модуляции.

Очевидно, что спектр различных источников искажения сигнала широк, и мы не можем рассмотреть каждый источник подробно. Однако мы можем кратко описать несколько важных источников линейных и нелинейных искажений сигнала в ваших дорожках и компонентах печатной платы.

Источники линейных искажений сигнала

• Частотная характеристика и фазовые искажения. Если вы знакомы с моделированием частотных характеристик в линейных цепях, то вы знаете, что передаточная функция определяет изменение фазы и амплитуды сигнала в линейной цепи. Передаточная функция цепи, конкретного компонента или соединения будет применять сдвиг фазы и будет корректировать величину сигнала. Эти изменения в фазе и амплитуде являются функциями частоты и визуализируются на диаграмме Боде. Это означает, что различные компоненты частоты задерживаются на различные величины, и эти различные компоненты частоты усиливаются или ослабляются на различные величины.

• Разрывы. Этот широкий класс источников искажений включает в себя разрывы импеданса вдоль соединения (например, переходные отверстия и геометрия дорожек) и разрывы в свойствах материалов (например, из-за эффекта тканевой структуры).

• Искажение из-за дисперсии. Это возникает из-за дисперсии в подложке ПП, проводниках и любом другом материале на вашей плате. Этот источник искажений неизбежен, хотя он может быть настолько мал, что остается незаметным, когда длины соединений короткие. Дисперсия в подложке вызывает перемещение различных компонентов частоты цифрового сигнала по дорожке с разными скоростями. Дисперсия также влияет на тангенс угла потерь, воспринимаемый сигналом на дорожке, что способствует искажению сигнала. Это вызывает растяжение импульса (то есть групповая скорость становится зависимой от частоты), аналогично тому, что происходит в ультрабыстрых лазерах без компенсации дисперсии.

Одним из решений для компенсации дисперсии в соединении ПП является использование алгоритма цифровой обработки сигналов (DSP), или использование слоистой подложки с чередованием положительной и отрицательной дисперсии групповой скорости таким образом, чтобы общая дисперсия была равна нулю в соответствующем диапазоне частот. Эта конкретная тема настолько обширна, что заслуживает отдельной статьи. Ознакомьтесь с этой отличной статьей в журнале Signal Integrity Journal для полного обсуждения дисперсии в дорожках ПП.

Дисперсия — это тот же эффект, что заставляет призму разделять свет

Источники нелинейных искажений сигнала

• Нелинейная частотная характеристика и фазовые искажения. Так же, как и в линейном случае, нелинейные схемы могут искажать частотные компоненты сигнала в разной степени, в зависимости от частоты и уровня входного сигнала. Это происходит в усилителях, ферритовых компонентах и других устройствах на основе транзисторов, когда они достигают насыщения.

• Интермодуляционные искажения. Этот тип амплитудных искажений (как активный, так и пассивный) возникает, когда в нелинейную схему подаются две частотные составляющие. Это происходит в устройствах, поддерживающих 5G, когда два сигнала, используемых для агрегации несущих, взаимодействуют друг с другом (пассивная интермодуляция). Также это происходит в любом нелинейном компоненте, используемом для обработки модулированного сигнала, например, в усилителях мощности в цепи РЧ сигналов.

• Гармонические искажения. Это второй тип амплитудных искажений. Они возникают, когда сигнал подается на компонент или схему, которая насыщается. В результате амплитуда сигнала выравнивается (это называется обрезкой), когда входной сигнал превышает определенный уровень.

Аналоговые сигналы

Гармонические сигналы фактически не подвержены линейной частотной характеристике и фазовым искажениям. К примеру, фильтр или пассивная схема усиления (такая как LC-генератор) вызовет сдвиг фазы и изменение амплитуды входного сигнала, но дополнительные гармоники генерироваться не будут. То же относится к искажениям дисперсии, поскольку сигнал содержит только одну частотную составляющую. Несоответствия могут искажать сигнал по мере его прохождения по соединению, фактически создавая копии сигнала с меньшей амплитудой, которые накладываются на оригинал.

Все источники нелинейных искажений вызывают генерацию гармоник в аналоговых сигналах. Единственный способ решить эти проблемы - работать в линейном диапазоне для всех компонентов и обеспечивать согласование импедансов. Несовершенства производства компонентов и шероховатости на микрополосковых и полосковых дорожках также ответственны за нелинейные искажения на частотах миллиметрового диапазона.

Цифровые сигналы

Поскольку цифровые сигналы состоят из множества частотных компонентов, они особенно чувствительны к частотной характеристике и фазовым искажениям. В линейном случае это вызывает задержку и ослабление различных частотных компонентов в разной степени. Результатом является изменение формы компонента. Если добавить в смесь разрывы и дисперсию, части сигнала могут задерживаться, фактически растягивая сигнал. В случае отражений сигнала на разрывах импеданса это может привести к эффекту призрака, когда расстояние между двумя разрывами больше пространственного протяжения сигнала. Это также может вызвать хорошо известный ступенчатый отклик в цифровых сигналах, наблюдаемый на линиях передачи.

Отражения сигнала от несогласованности импеданса могут вызывать помехи. Источник изображения: wirelesswaffle.com

Источники нелинейного искажения сигнала также вызывают генерацию гармоник в цифровых сигналах, создавая уникальные изменения в спектре сигнала и во временной области. Когда входной сигнал на усилитель переключается быстрее, чем может отреагировать усилитель, на выходе усилителя будет наблюдаться интермодуляционное искажение. Этот конкретный тип искажения сигнала называется искажением из-за динамического ограничения, поскольку он связан с скоростью нарастания входного сигнала.

Мощные инструменты анализа после размещения и инструменты симуляции схем в Altium Designer^® идеально подходят для создания и анализа сложных макетов печатных плат. Вы можете изучить эффекты различных источников искажения сигнала наряду с вашими стандартными инструментами проектирования печатных плат. У вас также будет полный набор инструментов для документирования всех аспектов вашего проекта, управления цепочкой поставок и подготовки материалов для вашего производителя.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для размещения, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.

Начните путь к переходу на Altium Designer уже сегодня.