Méo Tín Hiệu trong PCB của Bạn: Nguyên Nhân và Giải Pháp

Khớp chiều dài cho tín hiệu tốc độ cao là tất cả về sự đồng bộ...

Sự méo tín hiệu thường chỉ được nhắc đến qua loa trong nhiều cuộc thảo luận về tính toàn vẹn tín hiệu và phân tích mạch. Khi nhiều sản phẩm mạng hoạt động ở tốc độ cao hơn và sử dụng các phương pháp điều chế phức tạp, bạn sẽ thấy rằng sự méo tín hiệu trở thành vấn đề nghiêm trọng gây ra tỷ lệ lỗi bit. Các nguồn gây méo được chỉ ra là một trong những rào cản chính ngăn cản tốc độ dữ liệu nhanh hơn trong các kết nối điện.

Cùng một vấn đề cũng có thể được thấy trong tín hiệu analog, đặc biệt là những tín hiệu hoạt động ở tần số hàng chục GHz. Nhiều nhà thiết kế trong lĩnh vực RF/vô tuyến sẽ cần hiểu về các nguồn gây méo tín hiệu này trong quá trình thiết kế, kiểm tra và đo lường.

Méo Tín Hiệu Tuyến Tính và Phi Tuyến Tính

Tất cả các nguồn gây méo tín hiệu có thể được phân loại là tuyến tính hoặc phi tuyến tính. Chúng khác nhau về khía cạnh sinh hài âm. Các nguồn gây méo phi tuyến tính sinh ra hài âm khi tín hiệu truyền qua nguồn, trong khi các nguồn gây méo tín hiệu tuyến tính không sinh ra hài âm. Cả hai nguồn gây méo đều có thể thay đổi độ lớn và pha của các thành phần tần số tạo nên một tín hiệu.

Các nguồn gây méo tín hiệu khác nhau sẽ ảnh hưởng đến các loại tín hiệu khác nhau (analog hoặc số) theo các cách khác nhau, tùy thuộc vào băng thông của nguồn méo và nội dung tần số trong tín hiệu cụ thể. Các nguồn gây méo tín hiệu khác nhau cũng có các ảnh hưởng khác nhau đối với tín hiệu điều chế, tùy thuộc vào loại điều chế.

Rõ ràng, phạm vi của các nguồn gây méo tín hiệu khác nhau là rộng và chúng ta không thể đề cập chi tiết mỗi nguồn. Tuy nhiên, chúng ta có thể tóm tắt một số nguồn gây méo tín hiệu tuyến tính và phi tuyến tính quan trọng trong các đường dẫn và linh kiện PCB của bạn.

Các Nguồn Gây Méo Tín Hiệu Tuyến Tính

• Đáp ứng tần số và méo pha. Nếu bạn đã quen với các mô phỏng quét tần số trong mạch tuyến tính, thì bạn biết rằng một hàm truyền định nghĩa sự thay đổi về pha và biên độ của tín hiệu trong một mạch tuyến tính. Hàm truyền của một mạch, linh kiện cụ thể, hoặc kết nối sẽ áp dụng một sự dịch chuyển pha và sẽ điều chỉnh độ lớn của tín hiệu. Những thay đổi này về pha và độ lớn là các hàm số của tần số và được trực quan hóa trong một đồ thị Bode. Điều này có nghĩa là các thành phần tần số khác nhau bị trễ bởi các lượng khác nhau, và những thành phần tần số khác nhau này được khuếch đại hoặc suy giảm bởi các lượng khác nhau.

• Điểm không liên tục. Lớp rộng lớn này của các nguồn méo bao gồm sự không liên tục về trở kháng dọc theo một kết nối (ví dụ, các via và hình dạng đường dẫn) và sự không liên tục trong tính chất vật liệu (ví dụ, từ hiệu ứng dệt sợi thủy tinh).

• Méo do tán sắc. Điều này xuất phát do tán sắc trong chất nền PCB, dẫn điện, và bất kỳ vật liệu nào khác trong bảng mạch của bạn. Nguồn méo này là không thể tránh khỏi, mặc dù nó có thể đủ nhỏ để không bị chú ý khi chiều dài kết nối ngắn. Tán sắc trong chất nền khiến các thành phần tần số khác nhau trong một tín hiệu số di chuyển dọc theo một đường dẫn với các vận tốc khác nhau. Tán sắc cũng ảnh hưởng đến hệ số mất mát mà một tín hiệu trên đường dẫn nhìn thấy, góp phần vào méo tín hiệu. Điều này khiến một xung bị kéo dài (tức là, vận tốc nhóm trở nên phụ thuộc vào tần số), tương tự như những gì xảy ra trong các laser siêu nhanh mà không có bù tán sắc.

Một giải pháp để bù tán sắc trong một kết nối PCB là sử dụng một thuật toán DSP, hoặc sử dụng một chất nền dệt lớp với việc xen kẽ tán sắc nhóm dương và âm sao cho tán sắc ròng bằng không trong phạm vi tần số liên quan. Chủ đề cụ thể này rộng lớn đến mức nó xứng đáng có một bài viết riêng. Hãy xem bài viết xuất sắc này trong Signal Integrity Journal để thảo luận đầy đủ về tán sắc trong các đường dẫn PCB.

Tán sắc là cùng một hiệu ứng khiến cho một lăng kính tách ánh sáng

Nguồn Méo Tín Hiệu Phi Tuyến

• Đáp ứng tần số và méo pha phi tuyến. Tương tự như trong trường hợp tuyến tính, các mạch phi tuyến có thể làm méo các thành phần tần số trong một tín hiệu bằng các lượng khác nhau, tùy thuộc vào tần số và mức tín hiệu đầu vào. Điều này xảy ra trong các bộ khuếch đại, các thành phần ferritic, và các thiết bị dựa trên transistor khác khi chúng đạt đến trạng thái bão hòa.

• Méo tần số giao thoa. Loại méo biên độ này (cả loại chủ động và loại bị động) xảy ra khi hai thành phần tần số được đưa vào một mạch phi tuyến. Điều này xảy ra trong các thiết bị hỗ trợ 5G khi hai tín hiệu được sử dụng cho việc tổng hợp sóng mang can thiệp lẫn nhau (méo giao thoa bị động). Nó cũng xảy ra trong bất kỳ thành phần phi tuyến nào được sử dụng để điều chỉnh một tín hiệu điều chế, như trong bộ khuếch đại công suất trong chuỗi tín hiệu RF.

• Méo hài hòa. Đây là loại thứ hai của méo biên độ. Điều này xảy ra khi một tín hiệu được đưa vào một thành phần hoặc mạch làm bão hòa. Thực tế, điều này khiến biên độ của tín hiệu bị giới hạn (gọi là cắt ngọn) khi đầu vào vượt quá một mức nhất định.

Tín hiệu tương tự

Tín hiệu hài hòa hiệu quả không bị ảnh hưởng bởi đáp ứng tần số tuyến tính và méo pha. Ví dụ, một bộ lọc hoặc mạch khuếch đại bị động (như một dao động LC) sẽ gây ra sự dịch chuyển pha và thay đổi trong biên độ của tín hiệu đầu vào, nhưng không tạo ra thêm hài hòa. Điều tương tự áp dụng cho méo phân tán vì tín hiệu chỉ chứa một thành phần tần số duy nhất. Sự không liên tục có thể làm méo tín hiệu khi nó di chuyển dọc theo một kết nối, hiệu quả tạo ra các bản sao có biên độ thấp hơn của tín hiệu được chồng lên trên tín hiệu gốc.

Tất cả các nguồn méo phi tuyến đều gây ra sự sinh ra hài hòa trong tín hiệu tương tự. Cách duy nhất để giải quyết những vấn đề này là làm việc trong phạm vi tuyến tính cho tất cả các thành phần và thực hiện khớp trở kháng. Sự không hoàn hảo trong sản xuất thành phần, và sự gồ ghề trên các đường microstrip và stripline, cũng là nguyên nhân gây ra méo phi tuyến ở tần số mmWave.

Tín hiệu số

Vì tín hiệu số được tạo thành từ nhiều thành phần tần số, chúng đặc biệt nhạy cảm với đáp ứng tần số và méo pha. Trong trường hợp tuyến tính, điều này gây ra sự chậm trễ và suy giảm các thành phần tần số bởi các lượng khác nhau. Kết quả là sự thay đổi hình dạng của thành phần. Nếu sự không liên tục và phân tán được thêm vào, các phần của tín hiệu có thể bị trì hoãn, hiệu quả kéo dài tín hiệu. Trong trường hợp phản xạ tín hiệu tại các điểm không liên tục về trở kháng, điều này có thể dẫn đến hiện tượng ghosting khi khoảng cách giữa hai điểm không liên tục dài hơn phạm vi không gian của tín hiệu. Điều này cũng có thể tạo ra phản ứng bậc thang nổi tiếng trong tín hiệu số được thấy trên các đường truyền tín hiệu.

Sự phản xạ tín hiệu từ sự không liên tục của trở kháng có thể tạo ra hiện tượng ghosting. Nguồn hình ảnh: wirelesswaffle.com

Các nguồn méo tín hiệu không tuyến tính cũng gây ra sự tạo ra hài âm trong tín hiệu số, tạo ra những thay đổi độc đáo trong phổ tín hiệu và trong miền thời gian. Khi một tín hiệu đầu vào cho một bộ khuếch đại chuyển đổi nhanh hơn so với khả năng phản hồi của bộ khuếch đại, méo tín hiệu giao thoa sẽ được thấy trong tín hiệu đầu ra từ bộ khuếch đại. Loại méo tín hiệu cụ thể này được gọi là méo tín hiệu do tốc độ dốc, liên quan đến tốc độ dốc của tín hiệu đầu vào.

Công cụ phân tích sau bố trí mạch mạnh mẽ và công cụ mô phỏng sơ đồ mạch trong Altium Designer^® là lý tưởng để tạo và phân tích các bố trí PCB phức tạp. Bạn có thể kiểm tra ảnh hưởng của các nguồn méo tín hiệu khác nhau cùng với công cụ thiết kế PCB tiêu chuẩn của bạn. Bạn cũng sẽ có một bộ công cụ đầy đủ để tài liệu hóa mọi khía cạnh của dự án của bạn, quản lý chuỗi cung ứng của bạn và chuẩn bị các sản phẩm giao cho nhà sản xuất của bạn.

Bây giờ bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ lập kế hoạch sản xuất, mô phỏng và bố trí tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.

Bắt đầu hành trình chuyển đổi sang Altium Designer ngay hôm nay.