PCB设计中的信号失真：来源和解决方案

2020-10-28

在有(yǒu)关信号完整性和電(diàn)路分(fēn)析的许多(duō)讨论中，信号失真经常被忽略。随着越来越多(duō)的网络产品开始以更高的速度运行并使用(yòng)复杂的调制方案，您会发现信号失真已成為(wèi)严重的问题，加剧了误码率。失真源被认為(wèi)是阻止電(diàn)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(kě)以看到相同的问题。射频/无線(xiàn)领域的更多(duō)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。

線(xiàn)性与非線(xiàn)性信号失真

所有(yǒu)信号失真源都可(kě)以分(fēn)為(wèi)線(xiàn)性或非線(xiàn)性。它们在谐波产生方面有(yǒu)所不同。非線(xiàn)性失真源在信号传播通过谐波源时会产生谐波，而線(xiàn)性信号失真源则不会产生谐波。两种失真源都可(kě)以改变构成信号的频率分(fēn)量的大小(xiǎo)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(yǒu)不同的影响。

显然，不同信号失真源的范围很(hěn)广，我们无法详细介绍每个源。但是，我们可(kě)以总结一些PCB迹線(xiàn)和组件中線(xiàn)性和非線(xiàn)性信号失真的重要来源。

線(xiàn)性失真源

频率响应和相位失真。如果您熟悉線(xiàn)性電(diàn)路中的扫频仿真，那么您就会知道传递函数定义了線(xiàn)性電(diàn)路中信号的相位和幅度的变化。電(diàn)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(xiǎo)。相位和幅度的这些变化是频率的函数，并在波特图中可(kě)视化。这意味着不同的频率分(fēn)量被延迟不同的量，并且这些不同的频率分(fēn)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線(xiàn)的阻抗不连续性（例如，通孔和走線(xiàn)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，导體(tǐ)和電(diàn)路板上的任何其他(tā)材料中引起的。失真源是不可(kě)避免的，尽管它可(kě)能(néng)足够小(xiǎo)，以至于互连長(cháng)度较短时它并不明显。基板中的分(fēn)散会导致数字信号中的不同频率分(fēn)量沿迹線(xiàn)以不同的速度传播。色散还会影响走線(xiàn)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(yǒu)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(yòng)DSP算法，或使用(yòng)具有(yǒu)交替的正负组速度色散的分(fēn)层基底编织，以便在相关频率范围内净色散為(wèi)零。

非線(xiàn)性失真源

非線(xiàn)性频率响应和相位失真。与線(xiàn)性情况相同，非線(xiàn)性電(diàn)路可(kě)以根据频率和输入信号電(diàn)平使信号中的频率分(fēn)量失真不同的量。一旦放大器，铁氧體(tǐ)组件和其他(tā)基于晶體(tǐ)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(fēn)量输入到非線(xiàn)性電(diàn)路中时，会发生这种类型的幅度失真（有(yǒu)源和无源变化）。这在具有(yǒu)5G功能(néng)的设备中会发生，因為(wèi)用(yòng)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(yòng)于操纵调制信号的任何非線(xiàn)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電(diàn)路时，会发生这种情况。实际上，一旦输入超过特定電(diàn)平，这将导致信号幅度趋于平稳（称為(wèi)削波）。

模拟信号

谐波信号可(kě)有(yǒu)效抵抗線(xiàn)性频率响应和相位失真。例如，滤波器或无源放大器電(diàn)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(tā)谐波。由于信号仅包含单个频率分(fēn)量，因此色散失真也是如此。当信号沿着互连線(xiàn)传播时，不连续性会使信号失真，从而有(yǒu)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(yǒu)非線(xiàn)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(yǒu)组件的線(xiàn)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線(xiàn)走線(xiàn)上的粗糙度也是造成毫米波频率下非線(xiàn)性失真的原因。

数字信号

由于数字信号由多(duō)个频率分(fēn)量组成，因此它们对频率响应和相位失真特别敏感。在線(xiàn)性情况下，这导致不同的频率分(fēn)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(wù)中，则信号的某些部分(fēn)可(kě)能(néng)会延迟，从而有(yǒu)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(kě)能(néng)导致重影。这也会在传输線(xiàn)上看到的数字信号中产生众所周知的阶梯响应。

非線(xiàn)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為(wèi)转换引起的失真，因為(wèi)它与输入信号的转换速率有(yǒu)关。