PCB中的信號衰減原理與計算

當信號通過 PCB 導體從信號源向負載傳輸時，由于走線電阻和介電損耗，信號會發(fā)生衰減，從而導致能量損失。

當高速信號在電路板上傳播時，信號衰減是最普遍的術語。它是導致信號完整性問題的信號衰減的主要因素之一。

什么是信號衰減?

信號衰減隨著頻率的增加而增加。

信號衰減是信號通過傳輸介質傳播時信號強度(幅度和強度)降低的量度。它是電信應用中的一個重要屬性，因為它計算信號強度作為距離的函數。

當發(fā)送器提供的信息在接收器解碼時保持不變時，可以實現無損信號傳輸。應滿足足夠的閾值水平以從信號中提取正確的信息。

信號衰減如何計算?

信號衰減以每單位傳輸介質長度的分貝 (dB) 為單位進行估算。它可以根據功率 (A p ) 和電壓 (A v ) 來計算。

為了避免衰減的機會，發(fā)射器發(fā)送多個信號以確保至少一個信號到達最終目的地，即接收器。但是由于需要發(fā)送這些額外的信號，這種做法會降低整體網絡速度。

這里的：

P s:是源端的信號功率

P d:是負載處的信號功率

V s:是源端的信號電壓

V d:是負載上的信號電壓

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

衰減因子或衰減系數

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

AF = P輸出/P輸入

信號衰減系數取決于：

傳輸介質長度

傳輸介質材料

身體狀況

傳輸線中的信號衰減

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

長度為“l(fā)”的傳輸線的信號衰減因子由下式給出：

以 dBs 為單位，信號衰減表示為：

它也可以表示為每單位長度的dB損耗，即：

注意：忽略減號，記住這是一個 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，稱為導體損耗。用α C表示。分量 GZ 0與 G(介電材料的電導)成比例，稱為介電損耗。它由α d表示。

另外，請閱讀我們關于PCB 傳輸線損耗的文章。

與導體損耗相比，介電損耗可以忽略不計。高達 20GHz 時，與PCB 材料(即 FR4)相關的損耗角正切不會發(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中發(fā)射器和接收器之間的距離通常小于1m。因此，可以假設介電損耗在頻率上是恒定的。作為傳導損耗和介電損耗的總和，總損耗主要是傳導損耗。

電路板設計中使用的FR4 材料的損耗角正切約為 0.003。

為什么信號到達走線端時會衰減?

信號的幅度隨著它沿傳輸介質傳播而減小。

信號的幅度會因走線電阻和電路板電介質的耗散因數而失真。由于信號傾向于沿跡線表面?zhèn)鞑ィ虼嗽撔诟哳l時更為突出。衰減會導致信號上升時間變慢并增加數據錯誤的可能性。

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

介電吸收：當高頻信號在電路板表面?zhèn)鞑r，介電材料會吸收信號能量。它降低了只能通過選擇完美的PCB材料來控制的信號強度。選擇具有低損耗正切的材料以減少介電吸收。

趨膚效應：趨膚效應是一種現象，由于高頻分量開始傳播到更靠近電路板導體的外部而不是內部。高頻信號還負責生成具有不同電流值的波形。此類信號具有其自感值，隨著頻率的增加，它會引發(fā)增加的感抗。它負責減少 PCB 表面的導電面積，導致信號幅度更大的電阻和衰減。可以通過增加走線寬度(表面積)來減少趨膚效應，但這并不總是可行的，因為改變走線幾何形狀可能會導致阻抗問題。

由于高頻元件，PCB 中的集膚效應。

是什么導致PCB中的信號衰減?

隨著信號范圍的增加，衰減也會增加。下面列出的因素是造成信號衰減的原因：

噪聲源：射頻頻率、泄漏電流和電流干擾信號導致衰減。更多噪音，更多衰減!

發(fā)射器和接收器之間的距離：當信號穿過更長的距離時，其強度會降低。兩點之間的距離越大，衰減越高。

走線寬度：信號通過更寬的走線時衰減較小。

串擾：附近走線中的串擾也是造成信號衰減的原因。

導體和連接器：當信號通過不同的導電材料和連接器表面時，它會受到衰減。

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，無線電信號衰減大，不能長距離傳輸。

與導體材料相關的電阻損耗：用于制造傳輸線的導電材料(如銅)會引入電阻損耗，導致在銅跡線上傳播的信號衰減。

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

銅表面粗糙度：PCB 上的銅表面粗糙度也可作為信號傳播的阻力。粗糙的銅跡線會增加電阻，因為銅表面的形貌會使信號上下移動。表面尖峰也會增加電容。光滑的銅是解決這個問題的方法，但成本更高。

信號根據表面輪廓跟隨每個波峰和波谷，增加了路徑長度和電阻，從而導致衰減。

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，導致電阻增加。

另請閱讀，如何減少 PCB 布局中的寄生電容?

如何減少信號衰減?

采用以下技術可以減輕信號衰減：

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

使用放大器：如果接收到的信號很弱，則使用放大器來增加其幅度，這與重新生成整個信號的中繼器不同。

正確的材料選擇：仔細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衰減。

使用可編程差分輸出電壓 (VOD) 設置：可編程 VOD 確保驅動強度與線路阻抗和走線長度同步。增加驅動器處的 VOD 可增強接收器處的信號。

預加重：使用放大器提高信號強度并不是衰減控制的唯一解決方案，因為它還會放大相關的信號噪聲和抖動。預加重僅通過增加第一個傳輸符號的電平來增強信號的高頻分量。如果后續(xù)符號級別以相同級別傳輸，則它們將保持不變。例如，如果一個信號傳輸三個符號的高電平，則只有第一個符號被加強。接下來的兩個符號將以通常的電平傳輸。