如何減少高速 PCB 中的信號衰減

當信號通過(guò) PCB 導體從信號源向負載傳輸時(shí)，由于走線(xiàn)電阻和介電損耗，信號會(huì )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(shí)，信號衰減是最普遍的術(shù)語(yǔ)。它是導致信號完整性問(wèn)題的信號衰減的主要因素之一。

信號衰減隨著(zhù)頻率的增加而增加。

信號衰減是信號通過(guò)傳輸介質(zhì)傳播時(shí)信號強度（幅度和強度）降低的量度。它是電信應用中的一個(gè)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(shí)保持不變時(shí)，可以實(shí)現無(wú)損信號傳輸。應滿(mǎn)足足夠的閾值水平以從信號中提取正確的信息。

信號完整性電子書(shū)3 章 - 12 頁(yè) - 20 分鐘閱讀里面有什么：阻抗不連續相聲反射、振鈴、過(guò)沖和下沖通過(guò)Stub,回復：信號完整性資料獲取，免費獲取哦。

信號衰減以每單位傳輸介質(zhì)長(cháng)度的分貝 (dB) 為單位進(jìn)行估算。它可以根據功率 (A p ) 和電壓 (A v ) 來(lái)計算。

為了避免衰減的機會(huì )，****發(fā)送多個(gè)信號以確保至少一個(gè)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(huì )降低整體網(wǎng)絡(luò )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(zhì)的效率就越高。更高的衰減意味著(zhù)在接收器側有更多的信號損失和降低的幅度。

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(lái)量化不同的傳輸介質(zhì)。它由以下給出：

AF = P輸出/P輸入

信號衰減系數取決于：

• 傳輸介質(zhì)長(cháng)度

• 傳輸介質(zhì)材料

• 身體狀況

在傳輸線(xiàn)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(xiàn)電阻，而介電損耗是由于介電材料而存在。

長(cháng)度為“l(fā)”的傳輸線(xiàn)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(cháng)度的dB損耗，即：

注意：忽略減號，記住這是一個(gè) dB 損失。

上式表示傳輸線(xiàn)單位長(cháng)度的總插入損耗，寫(xiě)為：

R/Z0 是與單位長(cháng)度走線(xiàn)電阻 R 成正比的損耗分量，稱(chēng)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(chēng)為介電損耗。它由α d表示。

另外，請閱讀我們關(guān)于PCB 傳輸線(xiàn)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(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(xiàn)與頻率幾乎成一條直線(xiàn)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。

信號的幅度隨著(zhù)它沿傳輸介質(zhì)傳播而減小。

信號的幅度會(huì )因走線(xiàn)電阻和電路板電介質(zhì)的耗散因數而失真。由于信號傾向于沿跡線(xiàn)表面傳播，因此該效應在高頻時(shí)更為突出。衰減會(huì )導致信號上升時(shí)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(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： 當高頻信號在電路板表面傳播時(shí)，介電材料會(huì )吸收信號能量。它降低了只能通過(guò)選擇完美的PCB材料來(lái)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。

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

• 趨膚效應：趨膚效應是一種現象，由于高頻分量開(kāi)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(lèi)信號具有其自感值，隨著(zhù)頻率的增加，它會(huì )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?？梢酝ㄟ^(guò)增加走線(xiàn)寬度（表面積）來(lái)減少趨膚效應，但這并不總是可行的，因為改變走線(xiàn)幾何形狀可能會(huì )導致阻抗問(wèn)題。

由于高頻元件，PCB 中的集膚效應。

隨著(zhù)信號范圍的增加，衰減也會(huì )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！

• ****和接收器之間的距離： 當信號穿過(guò)更長(cháng)的距離時(shí)，其強度會(huì )降低。兩點(diǎn)之間的距離越大，衰減越高。

• 走線(xiàn)寬度： 信號通過(guò)更寬的走線(xiàn)時(shí)衰減較小。

• 串擾： 附近走線(xiàn)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(guò)不同的導電材料和連接器表面時(shí)，它會(huì )受到衰減。

• 傳輸頻率：波長(cháng)越短的無(wú)線(xiàn)電波衰減越大。此類(lèi)信號通過(guò) 2.4GHz 或 5GHz 電磁波傳輸。電磁波具有高頻率和短波長(cháng)。因此，無(wú)線(xiàn)電信號衰減大，不能長(cháng)距離傳輸。

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

• 與介電材料相關(guān)的損耗： 夾在傳輸線(xiàn)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，也稱(chēng)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(xiàn)會(huì )增加電阻，因為銅表面的形貌會(huì )使信號上下移動(dòng)。表面尖峰也會(huì )增加電容。光滑的銅是解決這個(gè)問(wèn)題的方法，但成本更高。

信號根據表面輪廓跟隨每個(gè)波峰和波谷，增加了路徑長(cháng)度和電阻，從而導致衰減。

• 接地回路電阻：隨著(zhù)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(shù)可以減輕信號衰減：

1. 使用中繼器： 如果接收信號較弱，則使用中繼器通過(guò)減少衰減來(lái)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(cháng)的距離而不會(huì )失敗。

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

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

4. 使用可編程差分輸出電壓 (VOD) 設置： 可編程 VOD 確保驅動(dòng)強度與線(xiàn)路阻抗和走線(xiàn)長(cháng)度同步。增加驅動(dòng)器處的 VOD 可增強接收器處的信號。

5. 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(huì )放大相關(guān)的信號噪聲和抖動(dòng)。預加重僅通過(guò)增加第一個(gè)傳輸符號的電平來(lái)增強信號的高頻分量。如果后續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(gè)信號傳輸三個(gè)符號的高電平，則只有第一個(gè)符號被加強。接下來(lái)的兩個(gè)符號將以通常的電平傳輸。



預加重兩個(gè)單位間隔。

6. 接收器均衡：當信號到達接收器時(shí)，均衡電路會(huì )衰減信號的低頻分量以恢復傳輸線(xiàn)損耗。

使用 VNA 進(jìn)行信號衰減測量

矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀 (VNA) 用于執行頻域分析，因此也進(jìn)行衰減分析。它具有高動(dòng)態(tài)范圍，對于識別信號完整性問(wèn)題的實(shí)際原因非常有用。換句話(huà)說(shuō)，它是一種出色的測試和測量工具，可用于了解導致高數據速率系統中眼圖閉合的原因。



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)現寬至 70kHz 至 145GHz 的通道表征。這種寬帶寬可以通過(guò)包含多個(gè)諧波并提供低端頻率來(lái)更好地進(jìn)行直流外推，從而構建準確的模型。它還在時(shí)域中提供準確的分辨率，用于定位通道中的缺陷。VNA 設備有助于了解物理結構及其缺陷。

例如，對于印刷電路板，VNA 適用于分析現實(shí)世界的通道缺陷，例如超過(guò) PCB 圖、電鍍和電介質(zhì)厚度變化的公差。它們可用于評估連接器的性能、結構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)現不完美的過(guò)孔或接地層問(wèn)題。

此外，大多數信號完整性通道在表征期間使用測試夾具。VNA 具有評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。去嵌入是應用模型來(lái)補貼夾具對計算結果的影響的過(guò)程。

信號衰減是跡線(xiàn)/導體電阻和相關(guān)介電損耗的結果，隨著(zhù)距離的延長(cháng)和頻率的提高，這些損耗會(huì )增加?？梢酝ㄟ^(guò)改善 PCB 基板材料的介電性能和增加導體尺寸來(lái)減少它。衰減控制可以幫助設計人員實(shí)現可以在高頻下無(wú)縫工作的 PCB。電路板走線(xiàn)的損耗可能會(huì )對傳播的高速數字信號產(chǎn)生很小或很大的影響。