Progettazione PCB - Tutorial per ridurre l'attenuazione del segnale in PCB ad alta velocità

Quando il segnale viene trasmesso dalla sorgente attraverso il conduttore PCB al carico, sperimenterà attenuazione a causa della perdita di energia causata dalla resistenza alla traccia e dalla perdita dielettrica.

Quando i segnali ad alta velocità si propagano sul circuito stampato, l'attenuazione del segnale è il termine più comune. È uno dei principali fattori che causano problemi di degradazione del segnale e integrità del segnale.

Cos'è l'attenuazione del segnale?

L'attenuazione del segnale è una misura della diminuzione della forza del segnale (ampiezza e forza) mentre il segnale si propaga attraverso il mezzo di trasmissione. È un attributo importante nelle applicazioni di telecomunicazione perché calcola la potenza del segnale in funzione della distanza.

Quando le informazioni fornite dal trasmettitore rimangono invariate quando il ricevitore viene decodificato, è possibile ottenere una trasmissione senza perdita di segnale. Deve essere raggiunto un livello di soglia sufficiente per estrarre le informazioni corrette dal segnale.

Come viene calcolata l'attenuazione del segnale?

L'attenuazione del segnale è stimata in decibel (dB) per unità di lunghezza del mezzo di trasmissione. Può essere calcolato in base alla potenza (A p) e alla tensione (A v).

Per evitare la possibilità di attenuazione, il trasmettitore invia più segnali per garantire che almeno un segnale raggiunga la destinazione finale, il ricevitore. Tuttavia, data la necessità di inviare tali segnali aggiuntivi, questo approccio ridurrà la velocità complessiva della rete.

P s è la potenza del segnale alla sorgente

P d è la potenza del segnale al carico

V s è la tensione del segnale alla sorgente

V d è la tensione del segnale al carico

Più bassa è l'attenuazione, maggiore è l'efficienza del mezzo di trasmissione. L'attenuazione più elevata significa più perdita del segnale e minore ampiezza all'estremità ricevente.

Coefficiente di attenuazione o coefficiente di attenuazione

Il fattore di attenuazione determina la distanza che il segnale può percorrere e fornisce ancora abbastanza bit di dati o informazioni. Esso quantifica diversi mezzi di trasmissione in base a come l'ampiezza del segnale trasmesso diminuisce con la frequenza. È dato da:

AF = P uscita/P ingresso

Il fattore di attenuazione del segnale dipende da:

Lunghezza media di trasmissione

Materiale del mezzo di trasmissione

Condizioni fisiche

Attenuazione del segnale nella linea di trasmissione

In una linea di trasmissione, la perdita di attenuazione è una combinazione di due tipi di perdita: perdita del conduttore e perdita dielettrica. La perdita del conduttore è dovuta a conduttività imperfetta e resistenza alla traccia, mentre la perdita dielettrica è dovuta a materiali dielettrici.

Il coefficiente di attenuazione del segnale di una linea di trasmissione di lunghezza "l" è dato da:

In dB, l'attenuazione del segnale è espressa come:

Può anche essere espresso come la perdita di dB per unità di lunghezza, vale a dire:

Nota: Ignorare il segno meno e ricordare che si tratta di una perdita di dB.

La formula di cui sopra rappresenta la perdita totale di inserimento per unità di lunghezza della linea di trasmissione, che può essere scritta come:

R/Z0 è la componente di perdita proporzionale alla resistenza del filo R per unità di lunghezza, che è chiamata perdita del conduttore. È rappresentato da α C. Il componente GZ 0 è proporzionale alla conduttanza del materiale G-dielettrico ed è chiamato perdita dielettrica. È rappresentato da α d.

Rispetto alla perdita del conduttore, la perdita dielettrica è trascurabile. Fino a 20GHz, la tangente di perdita relativa al materiale PCB (cioè FR4) non cambierà in modo significativo. Questo è il motivo principale per cui la curva di perdita dielettrica è quasi in linea con la frequenza. La distanza tra il trasmettitore e il ricevitore nel circuito stampato è generalmente inferiore a 1m. Pertanto, si può presumere che la perdita dielettrica rimanga costante per tutta la gamma di frequenze. Come somma della perdita di conduzione e della perdita dielettrica, la perdita totale è dominata dalla perdita di conduzione.

La tangente di perdita del materiale FR4 utilizzato nella progettazione del circuito stampato è di circa 0,003.