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Attenuazione del segnale dovuta a tracce PCB e dielettrico
L'ampiezza del segnale sarà distorta dalla resistenza del cablaggio e dal fattore di perdita del dielettrico del circuito stampato. Questo effetto è più evidente alle alte frequenze, perché il segnale tende a propagarsi lungo la superficie della traccia. L'attenuazione causa tempi di aumento del segnale più lenti e aumenta la possibilità di errori di dati.
Il canale di trasmissione ad alta frequenza rende difficile per il ricevitore interpretare le informazioni reali. A causa dell'influenza del mezzo di trasmissione, si verificherà la seguente perdita di trasmissione:
Assorbimento dielettrico: Quando i segnali ad alta frequenza si propagano sulla superficie del circuito stampato, il materiale dielettrico assorbirà l'energia del segnale. Riduce la forza del segnale che può essere controllata solo scegliendo il materiale PCB perfetto. Scegliere materiali con bassa perdita tangente per ridurre l'assorbimento dielettrico.
Per saperne di più sulla selezione dei materiali, leggi Selezione dei materiali PCB: Considerazioni elettriche e produttive.
Effetto pelle: L'effetto pelle è un fenomeno in cui i componenti ad alta frequenza iniziano ad essere più vicini all'esterno dei conduttori del circuito piuttosto che all'interno. I segnali ad alta frequenza sono anche responsabili della generazione di forme d'onda con valori di corrente variabili. Tali segnali hanno il loro valore di auto-induttanza e man mano che la frequenza aumenta, il valore di auto-induttanza aumenterà. È responsabile della riduzione dell'area conduttiva sulla superficie del PCB, con conseguente maggiore resistenza e attenuazione dell'ampiezza del segnale. L'effetto cutaneo può essere ridotto aumentando la larghezza della traccia (area superficiale), ma questo non è sempre fattibile, perché cambiare la geometria della traccia può causare problemi di impedenza.
Man mano che l'intervallo di segnale aumenta, aumenta anche l'attenuazione. I fattori elencati di seguito sono le cause dell'attenuazione del segnale:
Fonte di rumore: la frequenza RF, la corrente di perdita e l'interferenza corrente causano segnali attenuati. Più rumore, più attenuazione!
La distanza tra il trasmettitore e il ricevitore: Quando il segnale attraversa una distanza più lunga, la sua forza diminuisce. Maggiore è la distanza tra due punti, maggiore è l'attenuazione.
Larghezza di traccia: il segnale si attenua di meno quando passa attraverso una traccia più ampia.
Crosstalk: Crosstalk nelle tracce vicine è anche una causa di attenuazione del segnale.
Conduttore e connettore: Quando il segnale passa attraverso diversi materiali conduttivi e superfici del connettore, sarà attenuato.
Frequenza di trasmissione: Più breve è la lunghezza d'onda, maggiore è l'attenuazione delle onde radio. Tali segnali sono trasmessi da onde elettromagnetiche a 2,4 GHz o 5 GHz. Le onde elettromagnetiche hanno alta frequenza e lunghezza d'onda corta. Pertanto, l'attenuazione dei segnali radio è grande e non può essere trasmessa su lunghe distanze.
Perdita di resistenza associata ai materiali conduttori: I materiali conduttori come il rame utilizzati nella fabbricazione delle linee di trasmissione introducono perdite resistive, portando ad attenuazione dei segnali propaganti sulle tracce di rame.
Perdita associata a materiali dielettrici: La perdita di materiali dielettrici infilati tra le linee di trasmissione causa la perdita dielettrica. Questa perdita dielettrica forma conduttanza attraverso il substrato, noto anche come resistenza inversa, e assorbe parte dell'energia del segnale propagante, con conseguente attenuazione del segnale.
Rugosità superficiale del rame: La rugosità superficiale del rame sul PCB può anche ostacolare la propagazione del segnale. I fili di rame grezzi aumentano la resistenza, perché la topografia della superficie di rame muove il segnale su e giù. Anche i picchi di superficie aumentano la capacità. Il rame liscio è la soluzione a questo problema, ma ad un costo più elevato.
Resistenza del ciclo di terra: Man mano che la frequenza aumenta, il ciclo di terra diventa più stretto e utilizza meno area di rame, con conseguente aumento della resistenza.
Come ridurre l'attenuazione del segnale?
L'attenuazione del segnale può essere ridotta utilizzando le seguenti tecniche:
Utilizzare un ripetitore: se il segnale ricevuto è debole, utilizzare un ripetitore per rigenerare il segnale originale riducendo l'attenuazione. Migliora anche la portata del segnale in modo che possa essere trasmesso su distanze più lunghe senza guasti.
Utilizzare un amplificatore: se il segnale ricevuto è debole, utilizzare un amplificatore per aumentare la sua ampiezza, che è diverso da un ripetitore che rigenera l'intero segnale.
Selezione corretta del materiale: Un'accurata selezione di materiali dielettrici a bassa perdita e tracce a bassa resistenza possono ridurre al minimo l'attenuazione del segnale.
Utilizzare impostazioni di tensione di uscita differenziale programmabile (VOD): VOD programmabile assicura che la forza dell'azionamento sia sincronizzata con l'impedenza della linea e la lunghezza della traccia PCB. Aumentando il VOD del driver aumenterà il segnale del ricevitore.
Pre-enfasi: Utilizzare un amplificatore per migliorare la potenza del segnale non è l'unica soluzione per il controllo dell'attenuazione del segnale PCB, perché amplifica anche il rumore del segnale correlato e il jitter. La pre-enfasi migliora solo i componenti ad alta frequenza del segnale aumentando il livello del primo simbolo trasmesso. Se i livelli successivi dei simboli vengono trasmessi allo stesso livello, rimangono invariati. Ad esempio, se il segnale trasmette un livello elevato di tre simboli, viene potenziato solo il primo simbolo. I prossimi due simboli saranno trasmessi al livello abituale.
