连接器高频设计PowerPoint 演示文稿

1高频连接器设计重点21 前言前言-2 信号传输的方式信号传输的方式-3 高频连接器的条件高频连接器的条件-4 高频连接器的重点要求项目高频连接器的重点要求项目-5 波动和波导波动和波导-6 特性阻抗特性阻抗-7 串音杂讯串音杂讯-8 传递延迟传递延迟-9 偏移偏移-10 衰减衰减-11 实际分析部分实际分析部分-3 电子连接器（Electrical connector）是泛指所有用在电子讯号与电源上的连接元件及附属配件，广义的连接器还包含插座、插头及Cable组立等。从电子封装的观点上来看，连接器是互相连接（interconnection）部份可离合或是替换的元件，换言之是所有讯号间的桥梁，因此连接器的性质将会牵动整个电子系统的运作品质。电子连接器主要的功能为完整且正确的传输讯号，所以在整个电子系统中，电子连接器是一个典型的被动元件，它的发展与演进完全跟着电脑的CPU，近年来由于CPU的速度不断提高，由早期的33MHz、66MHz到Pentium III 500MHz至最近的Pentium 4 3.06GHz，连带地提升主机板与电脑周边的电子信号传输速度，因此担任电子信号传输桥梁的电子连接器的高频电气特性，便成为电子连接器厂商一个重要的议题。1.前言前言4信号的传输方式，可分为两种：1.单端信号（single-ended）2.差动信号（differential mode signal）2.信号传输的方式信号传输的方式所谓的单端信号，既是在驱动器和接收器中，一个信号的传输仅需要一个导体（端子pin）。差动信号的传输则是在驱动器和接收器中，需要两个完全相同并且匹配的导体，在这两个导体上所传输的信号为两个互补的信号，也就是大小相同（振幅相同）并且极性相反（相位差180度）的两个信号。5 由于电子连接器为一被动元件，它的主要功能为将信号完整的由IC传至DEVICE及传回IC，而所谓信号完整的定义为信号在电路中能以要求的时序和电压做出响应的能力，也就是判断数位讯号是0或是1。当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，该电路就有很好的信号完整性：反之，就出现了信号完整性的问题，IC就可能误判或丢失部分数据。在基本的电路学理论，只是电磁理论马克斯威尔方程式的近似，也就是在特殊的状况下才合理，主要是因为在电路学中，元件大小远小于信号的波长，由于波长远大于元件尺寸时，信号通过元件后的电压电流的相位差可以忽略不计，则此时的元件视为集总元件（Lumped element），换句话说，当工作频率在微波频段中时，元件的尺寸与波长大小差不多，则信号通过元件后的电压电流位差异很可能有大的差异，则此时的元件为散布元件（distributed element）。2.信号传输的方式信号传输的方式63.高频连接器的条件高频连接器的条件 何种电子连接器必须考虑高频的影响，以下为一般的推论：由上可得若电子连接器长度大于/12mm，则必须视为散布元件（distributed element），在此状况下就要考虑高频效应的影响。7例：USB连接器长度约为33mmUSB 1.1中其最快传输速度为12Mbps，上升时间（rise time）为20ns所以由Trf=0.5中可得出f=0.5/Tr=25MHz再由=c/f中可求出=3108/25106M=12M=12000mmL/6=/12=12000/12(mm)=1000(mm)33(mm)所以在USB 1.1中并不须去考虑高频的效应。反观在USB 2.0中，其最快传输速度为480Mbps，上升时间（rise time）为500ps，所以由Trf=0.5中可得出f=0.5/Tr=1GHz再由=c/f中可求出=3108/1109M=0.3M=300mmL/6=/12=300/12(mm)=25(mm)33(mm)所以在USB 2.0中就必须考虑高频的效应。（以上推论是在=1的条件下）3.高频连接器的条件高频连接器的条件8特性阻抗（特性阻抗（Characteristic Impedance)串音杂讯（串音杂讯（Crosstalk）传递延迟（传递延迟（Propagation Delay）偏移（偏移（Skew）介入损失（介入损失（Insertion Loss）or 衰减（衰减（Attenuation）4.高频连接器的重点要求项目高频连接器的重点要求项目9波动的几个重要物理概念：波动的几个重要物理概念：波速（波速（wave velocity）阻抗（阻抗（impedance）反射（反射（reflection）与穿射（）与穿射（transmission）5.波动和波导波动和波导波动和波导波动和波导106.特性阻抗特性阻抗 连接器的自容和自感会影响其特性阻抗连接器的自容和自感会影响其特性阻抗(impedance)电磁波在传输线中传递时，会因为传输线中特性阻抗的不连电磁波在传输线中传递时，会因为传输线中特性阻抗的不连续或不匹配，而造成电磁波的反射，因此连接器的特性阻抗必须续或不匹配，而造成电磁波的反射，因此连接器的特性阻抗必须与前后的传输线相近。与前后的传输线相近。若是连接器和系统发生阻抗不匹配若是连接器和系统发生阻抗不匹配(impedance mismatch)的的现象，如此一来此高频参数（特性阻抗）将扮演信号传输时衰减现象，如此一来此高频参数（特性阻抗）将扮演信号传输时衰减量的来源之一。量的来源之一。为什么谈特性阻抗为什么谈特性阻抗11模拟讯号线长度变化对自容和自感值的影响模拟讯号线长度变化对自容和自感值的影响 电气参数高度变化自容值Cself（pF)自感值Lself（nH)4.5mm0.7134751.867996.5mm0.8115672.7201112mm1.07445.0986414mm1.164625.93517发现随着讯号线长度越长自容和自感值有上升的趋势发现随着讯号线长度越长自容和自感值有上升的趋势6.特性阻抗特性阻抗12模拟讯号线长度变化对特性阻抗的影响模拟讯号线长度变化对特性阻抗的影响发现随着讯号线长度越长发现随着讯号线长度越长自容和自感值有上升的趋自容和自感值有上升的趋势。势。6.特性阻抗特性阻抗13模拟介电常数变化对自容和自感值的影响模拟介电常数变化对自容和自感值的影响随着介电常数的增加，其自容值也会随之增加，然而软体随着介电常数的增加，其自容值也会随之增加，然而软体中，改变介电常数只会影响电容值的计算，然而不会改变中，改变介电常数只会影响电容值的计算，然而不会改变电感值的计算。电感值的计算。6.特性阻抗特性阻抗14模拟介电常数变化对特性阻抗的影响模拟介电常数变化对特性阻抗的影响随着介电常数的随着介电常数的增加，其特性阻增加，其特性阻抗值会随之减少。抗值会随之减少。6.特性阻抗特性阻抗15Point to remember 随着讯号线长度越长其特性阻抗会有上升的趋势。随着介电常数的增加，其特性阻抗值会随之减少。6.特性阻抗特性阻抗16什么是串音杂讯（Cross talk）串音杂讯是由于动态信号（或时变电压、电流），因电磁感应定律所引起的电磁波，对邻近的信号线造成的干扰，在高频的时候此种现象将会更加严重。在两导体间的串音杂讯是依据其间的互容与互感。串音杂讯又分为近端杂讯(backward)和远端杂讯(forward)7.串音杂讯串音杂讯17为什么要谈串音杂讯控制串音杂讯的原因，首先是串音杂讯会使得信号线上的信号衰减，极度的衰减会使得无法触发想驱动的元件。再者若被害端作为信号线时，则串音杂讯会使得被害端的信号失真，进而使得被害端无法称为触发元件。串音杂讯会产生假信号。7.串音杂讯串音杂讯18模拟串音杂讯和频率的关系上升时间愈短表示愈高频，由上图得知当上升时间愈短。时其近端和远端串音杂讯会愈大。Tr*f=0.57.串音杂讯串音杂讯19由上图可以发现当两信号线间的距离愈靠近时，串音杂讯的峰值会愈大，也就是产生的串音杂讯愈严重。模拟串音杂讯和信号线间距的关系7.串音杂讯串音杂讯20模拟串音杂讯和介电常数的关系在远端时互容造成的电容性电流和互感造成的电感性电流的极性相反，当互容值随着介电参数的增加而增加，加上互感值不变，可以发现当介电常数增加时，对应的远端串音杂讯将会变小。在近端时，因为电容性电流和电感性电流的极性是相同的，所以具有相加性，所以近端串音杂讯将随着介电常数的增加而增加。7.串音杂讯串音杂讯21模拟不同高度对串音杂讯的影响由上图得知，当连接器高度愈高时（即端子长度愈长），其近端和远端串音杂讯会愈大。7.串音杂讯串音杂讯22Point to remember 串音杂讯的产生是由于驱动导体的周围电磁场耦合到邻近的导体。串音杂讯的强度主要是由两导体分开的距离和入侵与被害端的横截面几何来决定。减少串音杂讯的方法：1.增加两导体之间的距离。2.减少导体的横截面。3.导体长度愈短愈好。4.改变胶芯的介电常数。7.串音杂讯串音杂讯23把人比喻成讯号人跑步比喻成讯号传输跑步经过的路比喻成讯号传输的路径人从起跑沿着路最后到达目的地所花费的时间称为总共的传递时间延迟何谓传递延迟（Propagation Delay）8.传递延迟传递延迟24何谓传递延迟（Propagation Delay）根据ANSI/EIA 364-103规范所定义，传递时间乃是讯号通过待测物所需要的时间。所谓的传递时间乃是电磁波在每单位长度传输线中，传递所需要的时间，因此传递时间也就是波传速度的倒数。对连接器而言，有时传递时间是指电磁波通过整个连接器所需要的时间。8.传递延迟传递延迟25传递速度（Propagation Velocity）电子信号的传递速度是依据其周遭的环境所决定，在传输线中的传递速度为：无损耗传输线的传递速度可以表示为：8.传递延迟传递延迟26传递延迟（Propagation Delay）的决定根据ANSI/EIA 364-103规范所定义，量测传递延迟是以输入信号和输出信号在振幅10%和50%之间的时间差。8.传递延迟传递延迟27Point to remember降低单位长度的电容或降低单位长度的电感，可降低传递延迟（Propagation Delay）增加介质的介电系数，可降低传递延迟（Propagation Delay）8.传递延迟传递延迟28许多的人比喻成许多的讯号许多人跑步比喻成许多的讯号传输跑步经过的路比喻成讯号传输的路径每个人从起跑沿着路最后到达目的地所花费的时间差异称为Skew何谓偏移（Skew）9.偏移偏移29何谓偏移（Skew）偏移（skew）也就是信号传递的时间差，时间偏移又有分成两种，分别是intra-pair skew和inter-pair skew。intra-pair skew是信号在相同信号对（same data pair）中传递的时间差。inter-pair skew是信号在不同信号对（differential data pair）中传递的时间差。9.偏移偏移30偏移（Skew）的影响规范中定义的Intra-pair skew是为了确保同一对差动信号经过连接器一对端子后，还可以保持能接受的差动不平衡，才能使得差动信号的优点表现出来。若此两互补的差动信号的Intra-pair skew不相同，则会影响逻辑转换的时间，严重则会造成不触发。Inter-pair skew若是差异太大，则会造成不触发或是不同步触发。9.偏移偏移31Point to remember偏移为传输路径的设计、尤其是传输路径的长度和绝缘介电值的一个函数。Intra-pair skew的考量中，在同一对信号中的两个导体其传输路径的长度必须相同，传输环境必须相同，也就是导体的结构和材料以及周围的绝缘介电质（介电常数）必须相同。而Inter-pair skew的考量和Intra-pair skew的考量是相同的，不过要不同对的传输路径。传递信号的导体长度越长，其造成的intra-pair skew会越大。9.偏移偏移32把人比喻成讯号人跑步比喻成讯号传输跑步经过的路比喻成讯号传输的路径人从起跑沿着路最后到达目的地所消耗的能量称为总共的衰减量何谓衰减10.衰减衰减33何谓衰减（Attenuation）或介入损失（Insertion loss）平均功率（average power）的传输经由待侧无（连接器）的输入端到输出端所产生的损失称为衰减，通常是以dB值来测量。10.衰减衰减34为什么谈衰减原始的方波信号走的越远，信号就越来越不像方波，其改变不只是振幅而已，还会改变其边缘的情况，这就是信号的衰减。10.衰减衰减35造成衰减的因素船速线的结构（Transmission Line Structure）。介质材料性质（Dielectric Material Property）。导体的电气特性（Resistance）。信号的频率（Signal Frequency）。10.衰减衰减36衰减的模式导体的损失（copper loss，电阻所导致功率的损失，所以要减少电阻所造成的损失）。发射损失（reflection loss，传输路径中的不连续处的阻抗不匹配所造成的损失）。介电损失（dielectric loss，介电材料性质，由于介电质材料具有很大但不是无限大的电阻，因此会造成一些功率的损失，为频率和传输距离的函数，频率愈高或距离愈长介电损失愈严重）。辐射损失（radiation loss，在高频的时候有较多的电磁波能量辐射出去）。10.衰减衰减37何谓导体的损失电阻：代表电流在物体中的传导阻碍强度，能量以热能的方式损耗，即信号通过电阻时会产生压降。10.衰减衰减38何谓反射的损失10.衰减衰减39何谓介电损失（dielectric loss）所谓的介电损失乃是介质材料的一种高频特性，入射的电磁波功率因为介电而转变成热，称为介电损失。介电质材料所造成的介电损失是由其loss tangent的参数来决定的，loss tangent越小则介电损失就越少。空气的loss tangent为0。10.衰减衰减40常用塑胶材料的介电系数与损失因子种类LCPPA6TPBTPA46PA9T编号Vectra E130iC430NSHINITE D202TE250F6G2330供应商Ticona三井（Mistsui）新光DSMGenestar介电常数（1MHz）（Dielectric Constant）3.843到443.7正切损耗或散失因子（1MHz）（Dielectric dissapation）0.0320.013？0.0160.01410.衰减衰减41何谓辐射损失（radiation loss）当在频率非常高时，具有一段长度的传输导体就会像天线一样，会辐射电磁的能量。辐射损失和介质的几何结构，介质的介电常数以及传输导体的结构有关。10.衰减衰减42Summary高频连接器设计重点：1.定数：接触面的端子Pitch及宽度，Connector的高度。2.变数：端子宽度（非接触区）、厚度、结构，Housing的结构及介电常数。3.交互影响：阻抗低增加电感增加端子长度阻抗提高端子长度加长 Propagation Delay更严重Insertion loss更大11.Summary43实际分析部分一.相關概念二.高頻連接器的特點三.高頻連接器的性能四.設計流程及範例44451.按工作频率：低频和高频视频：频率范围在3HZ30MHZ之间的无线电波 射频：频率范围在3千HZ3000GHZ之间的无线电波(Radio Frequency)一.高頻及其他相關概念Notes:1GHz=1,000MHz,1MHz=1,000,000Hz46同軸射頻連接器范例4748二.高頻連接器,具備如下幾個特點:491-1特性阻抗(impendence):水管例子講解1-2插入损耗(insertion loss):对连接器的要求主要是插入损耗小，反射损耗高,插入损失是指由于连接器的引入而导致的链路功率损耗,定义为连接器的输出功率与输入功率比的分贝数.如图2,设输入功率为PI,输出功率为PO,.则此连接器的插入损耗为:三.高頻/射頻连接器的基本性能 501-3电压驻波比（VSWR）（Voltage Standing Wave Voltage Standing Wave Ratio):Ratio):电压驻波比（VSWR）是射频技术中最常用的参数，用来衡量部件之间的匹配是否良好。电压驻波比用来表述端口的匹配性能的。同一性能还可用回波损耗来表述。这两个指标定义如下，电压驻波比：VSWR=(1+|r|)/(1-|r|)r：为发射系数=ZL-Z0/ZL+Z0 ZL为输入阻抗，Z0为理想阻抗回波损耗：RL=10log(入射功率/反射功率)1-4串扰（crosstalk）Ground and ground pin distributionPin lengthAggressor to victim pin distanceGround loopsImpedance mismatchesRise-time511-5传输延迟（delay）1-6时滞（skew）:时滞即时间延迟1-7 衰减:信号在通道中传输时，会随着传输距离的增加而逐渐变小,衰减(Attenuation)衰减是指信号幅度沿链路传输的减弱，是由于电缆的电阻所造成的电能损耗以及电缆绝缘材料所造成的电能泄漏，衰减以分 贝（db）表示，低的衰减值表示链路的性能好，而链路越长，频率越高，衰减就越大。试想一下，一个过分衰减的的信号，接收端 又怎能识别呢！52四.設計相關技術與流程5354Area of interestReceptacle SidePlug SideTo characterize the electrical performance of the SAS connector,the model only included the portion highlighted above.55This figure shows the 9-pin model for the electrical simulation.Though the solder pads were included,this model does not include the effects of vias,ground,power planes and/or trace routing on the module and motherboard.Pin Designations:G G Tx+Tx-G Rx+Rx-G GPin#9Pin#15691.8 Ohms108 OhmsSAS Specification Limits*SAS-1.1 Revision 0,10 July 200357111 ps580.37%0.04%5982.1 Ohms79.9 OhmsChanges done on the solder tail of the cable contact(Rev 1)improve impedance matching.However,the increased cable contact thickness(rev 2)proves to be of no consequence to the results.601.181.12Similar to the impedance results,this plots shows that electrically,Rev 1 and 2 are not distinct from each other.6162