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高速连接器设计

来源:Encnn  发布日期:2016-10-12 10:00:29  浏览次数:

随着数据传输率的提高,信号频宽不断增加,信号上升沿时间继续减小。频宽越宽,上升沿时间越短则信号完整性问题越突出,我们看看连接器面临怎么样的高速串联信号的应用挑战。

由于网络的高速发展,如在线视频租赁的蓬勃兴起(据统计在线视频租赁占据网络信息传输量的50%),电子工业总存在提速的需求,每两年数据传输量率就要翻一翻, 这不见体现在网络的传输主线也反映在芯片的吞吐量。
为了适应数据传输不断提速的需求,每个高速串联协议,如PCIe, SATA, SAS, Ethemet, USB,和Infiniband都采用每更新一代传输率增加一倍的技术路线。如果你去年应对2.5Gb/s, 那你明年就要准备好去挑战5Gb/s.
理想的高速传输通道很难设计的原因之一是电磁波信号与导体和绝缘介质的互动的这一根本属性,换句话说,是由于麦克斯韦方程所致.
随着数据传输率的提高,信号频宽不断增加,信号上升沿时间继续减小。信号完整性问题越突出,特别是对于连接器这种结构的元件来说---连接器的结构注定无法实现传输通道的连续性。
幸运的是,连接器不长,故电磁波在连接器体内转化为热量的损耗不大,但是连接器引起的另外3大基本问题却可能甚为严重,这些问题是由于不阻抗连续引起的回波损耗,来自别的通道的串扰和由于非对称性产生的共模转换.
我们用一个重要的参数来描述由于阻抗不连续引起多少信号被反射,这个参数被称为反射系数或回波损耗,这是反射信号与入射信号的比例,常用dB表示,下图是回波损耗及其他常见的连接器高速信号指标的示例



有图可见,频率增加回波损耗增大,那多大的回波损耗可接受呢?当回波损耗大于大约-13dB时,反射信号开始影响被传输的信号,这是用于定义连接器频宽的常用规格。
设计制造较高频率的连接器,不仅仅要考虑连接器还要考虑与连接器连接的PCB导线及焊接连接器的焊盘。你不仅要优化连接器的结构还要考虑包括整个与连接器连接的引线部分。
串扰是关于使差分对的信号远离另一差分对的电磁场,不幸的是,连接的高密度化趋势是串扰的问题更为严重。
方案之一是在信号pin的两侧增加地线的回路pin或地线板。近端串扰系数和远端串扰系数是描述通道间串扰的指标。
在高速串联应用领域里最后一个要尽量避免的现象是共模转换。当我们在高频通道传输差分信号时,若差分信号对存在任何不对称(现实中不可能完全对称)的因素,这种不对称的部分会转换成共模信号。
结果是部分差分信号损失,损失的能量部分被辐射部分在信号通道游荡成为接收端的杂音。
最常见的共模非对称性是差分对间的时延差。例如,在28Gb/s的频道,单位间隔是36皮秒。对整个通道来说,差分对间的时延差不应超过单位间隔的15%,即不应超过5皮秒---这大致相当于0.75mm的长度,但能分配给连接器的只有很小一部分。
信号完整性仅仅是连接器设计要考虑的一方面,还有长期稳定性的要求,工艺性的要求,插拔力的要求,载流能力(承受电流大小)的要求,空间密度的要求,焊接炉温的要求,甚至PCB焊盘的要求。摩尔定律的存在使连接器高频方面的设计像打地鼠一样,没法做到一劳永逸,一个连接器的指标改善好,可能另一个指标的问题更严重!
鉴于高速连接器产业目前的状况及发展趋势,高速连接器的厂家不得不寻求优越的信号完整性的工程技术力量或成立自己的高速信号团队。
在高端连接器产品设计领域,厂商要结合客户的pcb来优化高速连接器的性能。为了提升竞争力,有不少连接器厂家大力强化信号完整性的工程力量来协助客户解决高速传输的问题。
当数据传输率高于5Gb/s, 连接变得并不简单,要实现可接受的传输性能,在设计的开始要对信号完整性问题给予充分的重视.
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