如何減少高速 PCB 中的信號(hào)衰減

當(dāng)信號(hào)通過 PCB 導(dǎo)體從信號(hào)源向負(fù)載傳輸時(shí)，由于走線電阻和介電損耗，信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減，從而導(dǎo)致能量損失。

當(dāng)高速信號(hào)在電路板上傳播時(shí)，信號(hào)衰減是最普遍的術(shù)語。它是導(dǎo)致信號(hào)完整性問題的信號(hào)衰減的主要因素之一。

信號(hào)衰減隨著頻率的增加而增加。

信號(hào)衰減是信號(hào)通過傳輸介質(zhì)傳播時(shí)信號(hào)強(qiáng)度（幅度和強(qiáng)度）降低的量度。它是電信應(yīng)用中的一個(gè)重要屬性，因?yàn)樗?jì)算信號(hào)強(qiáng)度作為距離的函數(shù)。

當(dāng)發(fā)送器提供的信息在接收器解碼時(shí)保持不變時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無損信號(hào)傳輸。應(yīng)滿足足夠的閾值水平以從信號(hào)中提取正確的信息。

信號(hào)完整性電子書3 章 - 12 頁 - 20 分鐘閱讀里面有什么：阻抗不連續(xù)相聲反射、振鈴、過沖和下沖通過Stub,回復(fù)：信號(hào)完整性資料獲取，免費(fèi)獲取哦。

信號(hào)衰減以每單位傳輸介質(zhì)長度的分貝 (dB) 為單位進(jìn)行估算。它可以根據(jù)功率 (A p ) 和電壓 (A v ) 來計(jì)算。

為了避免衰減的機(jī)會(huì)，****發(fā)送多個(gè)信號(hào)以確保至少一個(gè)信號(hào)到達(dá)最終目的地，即接收器。但是由于需要發(fā)送這些額外的信號(hào)，這種做法會(huì)降低整體網(wǎng)絡(luò)速度。

這里的：

P s:是源端的信號(hào)功率

P d:是負(fù)載處的信號(hào)功率

V s:是源端的信號(hào)電壓

V d:是負(fù)載上的信號(hào)電壓

衰減越低，傳輸介質(zhì)的效率就越高。更高的衰減意味著在接收器側(cè)有更多的信號(hào)損失和降低的幅度。

衰減因子決定了信號(hào)可以傳播的距離，并且仍然提供足夠的數(shù)據(jù)位或信息。它根據(jù)傳輸信號(hào)的幅度如何隨頻率降低來量化不同的傳輸介質(zhì)。它由以下給出：

AF = P輸出/P輸入

信號(hào)衰減系數(shù)取決于：

• 傳輸介質(zhì)長度

• 傳輸介質(zhì)材料

• 身體狀況

在傳輸線中，衰減損耗是兩種損耗的合并：導(dǎo)體損耗和介電損耗。導(dǎo)體損耗是由于存在不完美的導(dǎo)電性和跡線電阻，而介電損耗是由于介電材料而存在。

長度為“l(fā)”的傳輸線的信號(hào)衰減因子由下式給出：

以 dBs 為單位，信號(hào)衰減表示為：

它也可以表示為每單位長度的dB損耗，即：

注意：忽略減號(hào)，記住這是一個(gè) dB 損失。

上式表示傳輸線單位長度的總插入損耗，寫為：

R/Z0 是與單位長度走線電阻 R 成正比的損耗分量，稱為導(dǎo)體損耗。用α C表示。分量 GZ 0與 G（介電材料的電導(dǎo)）成比例，稱為介電損耗。它由α d表示。

另外，請(qǐng)閱讀我們關(guān)于PCB 傳輸線損耗的文章。

與導(dǎo)體損耗相比，介電損耗可以忽略不計(jì)。高達(dá) 20GHz 時(shí)，與PCB 材料（即 FR4）相關(guān)的損耗角正切不會(huì)發(fā)生明顯變化。這是介電損耗曲線與頻率幾乎成一條直線的主要原因。PCB中****和接收器之間的距離通常小于1m。因此，可以假設(shè)介電損耗在頻率上是恒定的。作為傳導(dǎo)損耗和介電損耗的總和，總損耗主要是傳導(dǎo)損耗。

電路板設(shè)計(jì)中使用的FR4 材料的損耗角正切約為 0.003。

信號(hào)的幅度隨著它沿傳輸介質(zhì)傳播而減小。

信號(hào)的幅度會(huì)因走線電阻和電路板電介質(zhì)的耗散因數(shù)而失真。由于信號(hào)傾向于沿跡線表面?zhèn)鞑ィ虼嗽撔?yīng)在高頻時(shí)更為突出。衰減會(huì)導(dǎo)致信號(hào)上升時(shí)間變慢并增加數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的可能性。

高頻傳輸通道使接收器難以解釋實(shí)際信息。由于傳輸介質(zhì)的影響，會(huì)發(fā)生以下傳輸損耗：

• 介電吸收： 當(dāng)高頻信號(hào)在電路板表面?zhèn)鞑r(shí)，介電材料會(huì)吸收信號(hào)能量。它降低了只能通過選擇完美的PCB材料來控制的信號(hào)強(qiáng)度。選擇具有低損耗正切的材料以減少介電吸收。

要了解有關(guān)材料選擇的更多信息，請(qǐng)閱讀PCB 材料選擇：電氣和制造注意事項(xiàng)。

• 趨膚效應(yīng)：趨膚效應(yīng)是一種現(xiàn)象，由于高頻分量開始傳播到更靠近電路板導(dǎo)體的外部而不是內(nèi)部。高頻信號(hào)還負(fù)責(zé)生成具有不同電流值的波形。此類信號(hào)具有其自感值，隨著頻率的增加，它會(huì)引發(fā)增加的感抗。它負(fù)責(zé)減少 PCB 表面的導(dǎo)電面積，導(dǎo)致信號(hào)幅度更大的電阻和衰減?？梢酝ㄟ^增加走線寬度（表面積）來減少趨膚效應(yīng)，但這并不總是可行的，因?yàn)楦淖冏呔€幾何形狀可能會(huì)導(dǎo)致阻抗問題。

由于高頻元件，PCB 中的集膚效應(yīng)。

隨著信號(hào)范圍的增加，衰減也會(huì)增加。下面列出的因素是造成信號(hào)衰減的原因：

• 噪聲源： 射頻頻率、泄漏電流和電流干擾信號(hào)導(dǎo)致衰減。更多噪音，更多衰減！

• ****和接收器之間的距離： 當(dāng)信號(hào)穿過更長的距離時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)降低。兩點(diǎn)之間的距離越大，衰減越高。

• 走線寬度： 信號(hào)通過更寬的走線時(shí)衰減較小。

• 串?dāng)_： 附近走線中的串?dāng)_也是造成信號(hào)衰減的原因。

• 導(dǎo)體和連接器：當(dāng)信號(hào)通過不同的導(dǎo)電材料和連接器表面時(shí)，它會(huì)受到衰減。

• 傳輸頻率：波長越短的無線電波衰減越大。此類信號(hào)通過 2.4GHz 或 5GHz 電磁波傳輸。電磁波具有高頻率和短波長。因此，無線電信號(hào)衰減大，不能長距離傳輸。

• 與導(dǎo)體材料相關(guān)的電阻損耗：用于制造傳輸線的導(dǎo)電材料（如銅）會(huì)引入電阻損耗，導(dǎo)致在銅跡線上傳播的信號(hào)衰減。

• 與介電材料相關(guān)的損耗： 夾在傳輸線之間的介電材料中的損耗會(huì)引入介電損耗。這種介電損耗在襯底上形成電導(dǎo)，也稱為反向電阻，并吸收部分傳播的信號(hào)能量，導(dǎo)致信號(hào)衰減。

• 銅表面粗糙度： PCB 上的銅表面粗糙度也可作為信號(hào)傳播的阻力。粗糙的銅跡線會(huì)增加電阻，因?yàn)殂~表面的形貌會(huì)使信號(hào)上下移動(dòng)。表面尖峰也會(huì)增加電容。光滑的銅是解決這個(gè)問題的方法，但成本更高。

信號(hào)根據(jù)表面輪廓跟隨每個(gè)波峰和波谷，增加了路徑長度和電阻，從而導(dǎo)致衰減。

• 接地回路電阻：隨著頻率的增加，接地回路變窄，使用較少的銅面積，導(dǎo)致電阻增加。

另請(qǐng)閱讀，如何減少 PCB 布局中的寄生電容？

如何減少信號(hào)衰減？

采用以下技術(shù)可以減輕信號(hào)衰減：

1. 使用中繼器： 如果接收信號(hào)較弱，則使用中繼器通過減少衰減來重新生成原始信號(hào)。它還增強(qiáng)了信號(hào)的范圍，使其可以傳輸更長的距離而不會(huì)失敗。

2. 使用放大器： 如果接收到的信號(hào)很弱，則使用放大器來增加其幅度，這與重新生成整個(gè)信號(hào)的中繼器不同。

3. 正確的材料選擇：仔細(xì)選擇低損耗介電材料和低電阻走線可以最大限度地減少信號(hào)衰減。

4. 使用可編程差分輸出電壓 (VOD) 設(shè)置： 可編程 VOD 確保驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度與線路阻抗和走線長度同步。增加驅(qū)動(dòng)器處的 VOD 可增強(qiáng)接收器處的信號(hào)。

5. 預(yù)加重： 使用放大器提高信號(hào)強(qiáng)度并不是衰減控制的唯一解決方案，因?yàn)樗€會(huì)放大相關(guān)的信號(hào)噪聲和抖動(dòng)。預(yù)加重僅通過增加第一個(gè)傳輸符號(hào)的電平來增強(qiáng)信號(hào)的高頻分量。如果后續(xù)符號(hào)級(jí)別以相同級(jí)別傳輸，則它們將保持不變。例如，如果一個(gè)信號(hào)傳輸三個(gè)符號(hào)的高電平，則只有第一個(gè)符號(hào)被加強(qiáng)。接下來的兩個(gè)符號(hào)將以通常的電平傳輸。



預(yù)加重兩個(gè)單位間隔。

6. 接收器均衡：當(dāng)信號(hào)到達(dá)接收器時(shí)，均衡電路會(huì)衰減信號(hào)的低頻分量以恢復(fù)傳輸線損耗。

使用 VNA 進(jìn)行信號(hào)衰減測(cè)量

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 用于執(zhí)行頻域分析，因此也進(jìn)行衰減分析。它具有高動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)于識(shí)別信號(hào)完整性問題的實(shí)際原因非常有用。換句話說，它是一種出色的測(cè)試和測(cè)量工具，可用于了解導(dǎo)致高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)中眼圖閉合的原因。



Anritsu ME7838G 系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

VNA 具有較寬的頻率帶寬，可實(shí)現(xiàn)寬至 70kHz 至 145GHz 的通道表征。這種寬帶寬可以通過包含多個(gè)諧波并提供低端頻率來更好地進(jìn)行直流外推，從而構(gòu)建準(zhǔn)確的模型。它還在時(shí)域中提供準(zhǔn)確的分辨率，用于定位通道中的缺陷。VNA 設(shè)備有助于了解物理結(jié)構(gòu)及其缺陷。

例如，對(duì)于印刷電路板，VNA 適用于分析現(xiàn)實(shí)世界的通道缺陷，例如超過 PCB 圖、電鍍和電介質(zhì)厚度變化的公差。它們可用于評(píng)估連接器的性能、結(jié)構(gòu)以及它們的安裝情況。它們還可用于分析多層 PCB 疊層并發(fā)現(xiàn)不完美的過孔或接地層問題。

此外，大多數(shù)信號(hào)完整性通道在表征期間使用測(cè)試夾具。VNA 具有評(píng)估這些固定裝置影響的出色能力。網(wǎng)絡(luò)提取會(huì)生成一個(gè)模型，用于減少這些固定裝置的影響。去嵌入是應(yīng)用模型來補(bǔ)貼夾具對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響的過程。

信號(hào)衰減是跡線/導(dǎo)體電阻和相關(guān)介電損耗的結(jié)果，隨著距離的延長和頻率的提高，這些損耗會(huì)增加?？梢酝ㄟ^改善 PCB 基板材料的介電性能和增加導(dǎo)體尺寸來減少它。衰減控制可以幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)可以在高頻下無縫工作的 PCB。電路板走線的損耗可能會(huì)對(duì)傳播的高速數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生很小或很大的影響。