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PCB电路板设计中的信号失真:来源和解决方案


在有关信号完整性和电路分析的许多讨论中,信号失真经常被忽略。随着越来越多的网络产品开始以更高的速度运行并使用复杂的调制方案,您会发现信号失真已成为严重的问题,加剧了误码率。失真源被认为是阻止电气互连中更快的数据速率的主要瓶颈之一。
在模拟信号中,尤其是在高频率下运行的模拟信号中,也可以看到相同的问题。射频/无线领域的更多设计人员将需要在设计,测试和测量过程中了解这些失真源。
线性与非线性信号失真
所有信号失真源都可以分为线性或非线性。它们在谐波产生方面有所不同。非线性失真源在信号传播通过谐波源时会产生谐波,而线性信号失真源则不会产生谐波。两种失真源都可以改变构成信号的频率分量的大小和相位。
取决于失真源的带宽和特定信号中的频率含量,不同的信号失真源将以不同的方式影响不同类型的信号(模拟或数字)。取决于调制类型,不同的失真源对调制信号也有不同的影响。
显然,不同信号失真源的范围很广,我们无法详细介绍每个源。但是,我们可以总结一些PCB迹线和组件中线性和非线性信号失真的重要来源。
线性失真源
频率响应和相位失真。如果您熟悉线性电路中的扫频仿真,那么您就会知道传递函数定义了线性电路中信号的相位和幅度的变化。电路,特定组件或互连的传递函数将施加相移并调整信号的大小。相位和幅度的这些变化是频率的函数,并在波特图中可视化。这意味着不同的频率分量被延迟不同的量,并且这些不同的频率分量被放大或衰减不同的量。
间断性。这类广泛的畸变源包括沿互连线的阻抗不连续性(例如,通孔和走线几何形状)和材料特性中的不连续性(例如,来自纤维编织效应)。
色散失真。这是由于散布在PCB基板,导体和电路板上的任何其他材料中引起的。失真源是不可避免的,尽管它可能足够小,以至于互连长度较短时它并不明显。基板中的分散会导致数字信号中的不同频率分量沿迹线以不同的速度传播。色散还会影响走线上的信号所见的损耗角正切,这会导致信号失真。这导致脉冲伸展(即,群速度变得取决于频率),类似于在没有色散补偿的超快激光器中发生的情况。
补偿PCB互连中色散的一种解决方案是使用DSP算法,或使用具有交替的正负组速度色散的分层基底编织,以便在相关频率范围内净色散为零。
非线性失真源
非线性频率响应和相位失真。与线性情况相同,非线性电路可以根据频率和输入信号电平使信号中的频率分量失真不同的量。一旦放大器,铁氧体组件和其他基于晶体管的设备达到饱和,就会发生这种情况。
互调失真。当两个频率分量输入到非线性电路中时,会发生这种类型的幅度失真(有源和无源变化)。这在具有5G功能的设备中会发生,因为用于载波聚合的两个信号会相互干扰(无源互调)。它也发生在用于操纵调制信号的任何非线性组件中,例如在RF信号链中的功率放大器中。
谐波失真。这是振幅失真的第二种类型。当信号输入到饱和的组件或电路时,会发生这种情况。实际上,一旦输入超过特定电平,这将导致信号幅度趋于平稳(称为削波)。
模拟信号
谐波信号可有效抵抗线性频率响应和相位失真。例如,滤波器或无源放大器电路(例如LC振荡器)将引起相移并改变输入信号的幅度,但不会产生其他谐波。由于信号仅包含单个频率分量,因此色散失真也是如此。当信号沿着互连线传播时,不连续性会使信号失真,从而有效地创建了叠加在原始信号上的较低幅度的信号副本。
所有非线性失真源都会在模拟信号中产生谐波。解决这些问题的唯一方法是在所有组件的线性范围内工作并强制进行阻抗匹配。零件制造的缺陷以及微带和带状线走线上的粗糙度也是造成毫米波频率下非线性失真的原因。
数字信号
由于数字信号由多个频率分量组成,因此它们对频率响应和相位失真特别敏感。在线性情况下,这导致不同的频率分量被延迟和衰减不同的量。结果是部件形状发生变化。如果将不连续性和色散添加到混合物中,则信号的某些部分可能会延迟,从而有效地拉伸信号。在阻抗不连续处发生信号反射的情况下,当两个不连续处之间的距离大于信号的空间跨度时,这可能导致重影。这也会在传输线上看到的数字信号中产生众所周知的阶梯响应。
非线性失真源还会在数字信号中引起谐波,从而在信号频谱和时域产生独特的变化。当输入到放大器的信号切换速度快于放大器的响应速度时,在放大器的输出中会看到互调失真。这种特定类型的失真称为转换引起的失真,因为它与输入信号的转换速率有关。
2021-02-23
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