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PCB线路板为什么信号到达走线端时会衰减?

  • 发表时间:2021-06-15 15:29:18
  • 来源:本站
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由于 PCB 走线和电介质导致的信号衰减

    信号的幅度会因走线电阻和电路板电介质的损耗因数而失真。这种效果在高频时更为突出,因为信号往往会沿着走线表面传播。衰减会导致信号上升时间变慢并增加数据错误的可能性。

    高频传输通道使接收器难以解释实际信息。由于传输介质的影响,会发生以下传输损耗:

  •     电介质吸收: 当高频信号在电路板表面传播时,电介质材料会吸收信号能量。它降低了只能通过选择完美的 PCB 材料才能控制的信号强度。选择具有低损耗正切的材料以减少介电吸收。

    要了解有关材料选择的更多信息,请阅读PCB 材料选择:电气和制造注意事项。

  •     趋肤效应:趋肤效应是一种现象,由于高频分量开始更靠近电路板导体的外部而不是内部。高频信号还负责生成具有变化电流值的波形。此类信号具有它们的自感值,随着频率的增加,自感值会增加。它负责减少 PCB 表面的导电面积,从而导致信号幅度的更多电阻和衰减。可以通过增加走线宽度(表面积)来减少趋肤效应,但这并不总是可行的,因为改变走线几何形状可能会导致阻抗问题。

    是什么导致 PCB 中的信号衰减?

    随着信号范围的增加,衰减也会增加。下面列出的因素是造成信号衰减的原因:

  •     噪声源:  RF 频率、泄漏电流和电流干扰导致衰减的信号。更多噪音,更多衰减!

  •     发射器和接收器之间的距离: 当信号穿越更长的距离时,其强度会降低。两点之间的距离越远,衰减越高。

  •     走线宽度: 信号通过更宽的走线时衰减较小。

  •     串扰 附近走线中的串扰也是信号衰减的原因。

  •     导体和连接器:当信号通过不同的导电材料和连接器表面时,它会受到衰减。

  •     传输频率:波长越短的无线电波衰减越大。此类信号通过 2.4GHz 或 5GHz 电磁波传输。电磁波具有高频和短波长。因此,无线电信号衰减大,不能长距离传输。

  •     与导体材料相关的电阻损耗:用于制造传输线的铜等导电材料会引入电阻损耗,导致在铜迹线上传播的信号衰减。

  •     与介电材料相关的损耗: 夹在传输线之间的介电材料的损耗会导致介电损耗。这种介电损耗形成跨基板的电导,也称为反向电阻,并吸收部分传播信号能量,导致信号衰减。

  •     铜表面粗糙度:  PCB 上的铜表面粗糙度也会阻碍信号传播。粗糙的铜线会增加电阻,因为铜表面的地形会使信号上下移动。表面尖峰也会增加电容。光滑的铜是解决这个问题的方法,但成本更高。

  •     接地回路电阻:随着频率的增加,接地回路变窄并使用较少的铜面积,导致电阻增加。

    另请阅读,如何减少 PCB 布局中的寄生电容?

    如何减少信号衰减?

    可以通过采用以下技术来减轻信号衰减:

  1.     使用中继器: 如果接收到的信号较弱,则使用中继器通过减少衰减来重新生成原始信号。它还增强了信号的范围,使其可以传输更远的距离而不会失败。

  2.     使用放大器: 如果接收到的信号较弱,则使用放大器来增加其幅度,这与再生整个信号的中继器不同。

  3.     正确的材料选择:仔细选择低损耗介电材料和低电阻走线可以最大限度地减少信号衰减。

  4.     使用可编程差分输出电压 (VOD) 设置: 可编程 VOD 确保驱动强度与线路阻抗和走线长度同步。增加驱动器的 VOD 会增强接收器的信号。

  5.     预加重: 使用放大器增强信号强度并不是衰减控制的唯一解决方案,因为它还会放大相关的信号噪声和抖动。预加重仅通过增加第一个传输符号的电平来增强信号的高频分量。如果后续符号级别以相同级别传输,则它们保持不变。例如,如果信号传输三个符号的高电平,则仅增强第一个符号。接下来的两个符号将以通常的级别传输。