PCB設計中的信號失真：來(lái)源和解決方案

2020-10-28

在有關(guān)信號完整性和電路分析的許多討論中，信號失真經(jīng)常被忽略。隨著(zhù)越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品開(kāi)始以更高的速度運行并使用復雜的調制方案，您會(huì )發(fā)現信號失真已成為嚴重的問(wèn)題，加劇了誤碼率。失真源被認為是阻止電氣互連中更快的數據速率的主要瓶頸之一。

在模擬信號中，尤其是在高頻率下運行的模擬信號中，也可以看到相同的問(wèn)題。射頻/無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域的更多設計人員將需要在設計，測試和測量過(guò)程中了解這些失真源。

線(xiàn)性與非線(xiàn)性信號失真

所有信號失真源都可以分為線(xiàn)性或非線(xiàn)性。它們在諧波產(chǎn)生方面有所不同。非線(xiàn)性失真源在信號傳播通過(guò)諧波源時(shí)會(huì )產(chǎn)生諧波，而線(xiàn)性信號失真源則不會(huì )產(chǎn)生諧波。兩種失真源都可以改變構成信號的頻率分量的大小和相位。

取決于失真源的帶寬和特定信號中的頻率含量，不同的信號失真源將以不同的方式影響不同類(lèi)型的信號（模擬或數字）。取決于調制類(lèi)型，不同的失真源對調制信號也有不同的影響。

顯然，不同信號失真源的范圍很廣，我們無(wú)法詳細介紹每個(gè)源。但是，我們可以總結一些PCB跡線(xiàn)和組件中線(xiàn)性和非線(xiàn)性信號失真的重要來(lái)源。

線(xiàn)性失真源

頻率響應和相位失真。如果您熟悉線(xiàn)性電路中的掃頻仿真，那么您就會(huì )知道傳遞函數定義了線(xiàn)性電路中信號的相位和幅度的變化。電路，特定組件或互連的傳遞函數將施加相移并調整信號的大小。相位和幅度的這些變化是頻率的函數，并在波特圖中可視化。這意味著(zhù)不同的頻率分量被延遲不同的量，并且這些不同的頻率分量被放大或衰減不同的量。

間斷性。這類(lèi)廣泛的畸變源包括沿互連線(xiàn)的阻抗不連續性（例如，通孔和走線(xiàn)幾何形狀）和材料特性中的不連續性（例如，來(lái)自纖維編織效應）。

色散失真。這是由于散布在PCB基板，導體和電路板上的任何其他材料中引起的。失真源是不可避免的，盡管它可能足夠小，以至于互連長(cháng)度較短時(shí)它并不明顯?；逯械姆稚?huì )導致數字信號中的不同頻率分量沿跡線(xiàn)以不同的速度傳播。色散還會(huì )影響走線(xiàn)上的信號所見(jiàn)的損耗角正切，這會(huì )導致信號失真。這導致脈沖伸展（即，群速度變得取決于頻率），類(lèi)似于在沒(méi)有色散補償的超快激光器中發(fā)生的情況。

補償PCB互連中色散的一種解決方案是使用DSP算法，或使用具有交替的正負組速度色散的分層基底編織，以便在相關(guān)頻率范圍內凈色散為零。

非線(xiàn)性失真源

非線(xiàn)性頻率響應和相位失真。與線(xiàn)性情況相同，非線(xiàn)性電路可以根據頻率和輸入信號電平使信號中的頻率分量失真不同的量。一旦放大器，鐵氧體組件和其他基于晶體管的設備達到飽和，就會(huì )發(fā)生這種情況。

互調失真。當兩個(gè)頻率分量輸入到非線(xiàn)性電路中時(shí)，會(huì )發(fā)生這種類(lèi)型的幅度失真（有源和無(wú)源變化）。這在具有5G功能的設備中會(huì )發(fā)生，因為用于載波聚合的兩個(gè)信號會(huì )相互干擾（無(wú)源互調）。它也發(fā)生在用于操縱調制信號的任何非線(xiàn)性組件中，例如在RF信號鏈中的功率放大器中。

諧波失真。這是振幅失真的第二種類(lèi)型。當信號輸入到飽和的組件或電路時(shí)，會(huì )發(fā)生這種情況。實(shí)際上，一旦輸入超過(guò)特定電平，這將導致信號幅度趨于平穩（稱(chēng)為削波）。

模擬信號

諧波信號可有效抵抗線(xiàn)性頻率響應和相位失真。例如，濾波器或無(wú)源放大器電路（例如LC振蕩器）將引起相移并改變輸入信號的幅度，但不會(huì )產(chǎn)生其他諧波。由于信號僅包含單個(gè)頻率分量，因此色散失真也是如此。當信號沿著(zhù)互連線(xiàn)傳播時(shí)，不連續性會(huì )使信號失真，從而有效地創(chuàng )建了疊加在原始信號上的較低幅度的信號副本。

所有非線(xiàn)性失真源都會(huì )在模擬信號中產(chǎn)生諧波。解決這些問(wèn)題的唯一方法是在所有組件的線(xiàn)性范圍內工作并強制進(jìn)行阻抗匹配。零件制造的缺陷以及微帶和帶狀線(xiàn)走線(xiàn)上的粗糙度也是造成毫米波頻率下非線(xiàn)性失真的原因。

數字信號

由于數字信號由多個(gè)頻率分量組成，因此它們對頻率響應和相位失真特別敏感。在線(xiàn)性情況下，這導致不同的頻率分量被延遲和衰減不同的量。結果是部件形狀發(fā)生變化。如果將不連續性和色散添加到混合物中，則信號的某些部分可能會(huì )延遲，從而有效地拉伸信號。在阻抗不連續處發(fā)生信號反射的情況下，當兩個(gè)不連續處之間的距離大于信號的空間跨度時(shí)，這可能導致重影。這也會(huì )在傳輸線(xiàn)上看到的數字信號中產(chǎn)生眾所周知的階梯響應。

非線(xiàn)性失真源還會(huì )在數字信號中引起諧波，從而在信號頻譜和時(shí)域產(chǎn)生獨特的變化。當輸入到放大器的信號切換速度快于放大器的響應速度時(shí)，在放大器的輸出中會(huì )看到互調失真。這種特定類(lèi)型的失真稱(chēng)為轉換引起的失真，因為它與輸入信號的轉換速率有關(guān)。