连接器的应用(一)

1、连接器的应用 （一）在这一章中，从上文中我们知道连接器是应用于传输信号和电力。这 种应用彼此有几点区别，两个最主要的区别是电流 / 电压的应用和连接 器的温度经验升高值。关于电流和电压，一般采用电流做信号应用， 但更普遍的是采用电压，其更 低耗”例如，小于1安培的应用电流，通常被认为是信号应用， 而把超过 10 安培的电流被认为是电力应用。然而这种 “定义”是很局限 的。例如对于小型连接器相关的电流的流速为1安培或更小这是由于 有接触交叉部分，这种接触会使温度升高1安培这个经验值，这样就 会引起第二点不同，温度升高。通常有一个标准，就是温度升高（T-rise）到30C就被当作是电力应用 了。这

2、个标准虽是任意作的，但是确是基于保险公司对于家庭使用器 械安全来作指导路线的。在这篇讨论中，温升（T-rise）将被用于判断 电流速度的标准。然而，依照应用需求，较高的温升（ T-rise）还是可 以被接受的。根据这种判断标准，如果相关的温升（T-rise）小于10C 被认为是信号应用，而温升大于 20C就被认为是电力应用。对于电力应用来说，电流/电压和温升（T-rise）的标准是重要的。然 而有争议的是它们对于信号应用是否特别重要。另有一套判断标准， 也就是电流电压的频率对于信号连接器的应用峦得更加重要。信号 应用将以频率作为背景下来讨论。在信号应用中，信号应用的焦点将是维护信号的完整性 一

3、特别是信号 的上升时间和波形。对于电力应用，连接器关于电力分布的结果是求 在系统中最相关的电流的最小参数值。12.1 信号应用 信号连接器的应用是电流或电压的波形在两点之间被传输。在增幅或 满足频率中没有不可接受的损失之外， 增幅和波形的形状必须被维护， 二者择一，波形是不可接受峦化的。因为这些电压和电流的大小通常 相对来说比较低（在巨大的信号应用中，很典型的几伏特和几毫安） ， 通过互相联络，可以引起一些衰减，这是非常有害的。信号连接器的特性可以引出两个广泛的话题，信号传输质量（STQ和电磁兼容性（ EMC）。信号传输质量（STQ是指在连接器和互相联络系统中信号波形中没有 因损失而引起不可接

4、受的峦化的的高速信号的传输。损失组成特别包 括串扰，增值延迟和关于信号传播和反射的特性阻抗峦化的结果。 STQ 指在电子系统中，传输和所需信号波形的保护。另一方面， EMC 有关排除或兼容外来电磁波，噪音和干扰以防止信号的衰减。当EMC在交互联络装置中检测时，包括屏蔽，滤波和接地等 措施来控制电磁干扰（EMI）和无线电频率干扰（RFI，这些就共同构成EMC。信号应用可以是仿真量或是数字量。 模拟量的应用需要特别注意波形， 因为波形本质上传输的是信号。只要波形是统一的，就可以允许波形 增幅中稍有损失，正如所知道的，交叉频率边界包括在波形中。如果 缺少两个标准中的任何一个，信号将会被扭曲。在本篇讨

5、论中，之所以着重于数字信号的应用，是因为连接器对数字 式应用通常比对仿真式应用的需要更迫切。在数字式应用中，信号频 率对有关连接器的需求及出于设计的考虑具有决定性的作用。上述频率包括两方面内容：信号脉冲产生的频率，指时钟脉冲，以及 有关脉冲本身的上升时间的频率。通常，脉冲上升时间将被作为支配 性的因素，因为快速上升脉冲包含的频率比时钟脉冲的频率高。其最 大频率值，Vm,脉冲的上升时间Ty可近似的表示为：Vm= 0.35/Ty( 12.1)对应上升时间为1纳秒，其频率的最大值为350MHZ,这个频率值超过 了典型的时钟频率。在1996旧式、160MHZ的个人计算机的订单中， 脉冲上升时间将被应用

6、来作为考虑的重要问题。在这种情况下,连接 器必须能够无波形衰减地传输脉冲波形,而脉冲波形则包括对上升时 间和电压/波幅的考虑。当连接器的尺寸可与电子脉冲的长度相比时,信号应用就会以这些考 虑问题作为条件。换句话说,在这些条件下,连接器可以被认为成是 一传输通道。有很多方法来选取一适当的电磁波长度去做这种决定。在这篇讨论中所采用的方法与连接器的尺寸和脉冲的电磁波升高长度 相比较有关。脉冲的电磁波升高的长度就是信号从零增加到满压过程 中,沿导体的距离。下面给出其公式：Lr= Vpx TY12.2)信号传播速度通过下式给出Vp= C ( e) 1/2 (12.3)其中，C=光速e eff传播介质的有

7、效介电常数有效介电常数要考虑材料的组成变化，诸如泡沫绝缘体中空气的量或 连接器绝缘体的聚合体空气腔的几何形状。在此情况下，单个介电 常数适当的平均值是必要的。本篇讨论中的主导思想即，在信号传输的方向里，连接器的长度大于0.3Lr,连接器可以被认为是传输通道。对于连接器和印刷电路板来说， 有效介电常数值大约为 4 是适当的。个别地，针对上升时间分别是 1 和10纳秒的脉冲，组件的临界长度分别是 2和20 cm。依据这种标准，很清楚印刷电路板和线缆，其长度一般为 10 cm,应认 为是快于 10 纳秒的脉冲的传输通道。事实上，近几年来传输信道的设 计规则已经应用于 PWB和线缆上了。在PWB和可控

8、阻抗线缆上，其 几何形状通常采用微型块状和微型带状。在现有技术下,当信号上升 时间突破小于 10 纳秒的规范时, 连接器将必须被认为是一种信号传输 信道。在这样的应用中,传输通道的参数,诸如特性阻抗和串扰,将 会取代接触电阻作为 “关键”的性能方面的考虑。12.2 传输通道的基础12.1在讨论传输通道之前， 我们先简单讨论一下电磁波的顺序传播。 图 概要地表示出电磁波的情况。电磁波由彼此传播方向成直角的电和磁 两个区域组成。有关波的特性的相等关系如下 :C=入(12.4)此处C=光在真空中的速度A波长。=波的频率当这种波沿导体方向传播时，电和磁的区域从导体向外延展，这就引 出信号传输中很重要的

9、两个基本的电特性：传输导体或互连络装置中 的电容C和电感L。电容的产生，是两相邻激活状态的体导上的电磁场互相作用的结果； 电感亦是一种相似的结果，即是一激活状态导体的磁场与其邻近导体 磁场间的相互作用的结果。电容和电感的大小取决于导体系统的物理几何形状和在导体之间的绝 缘介质。电感和电容将随导体分离、导体相关交叉部分及其表面的面 积而变化。这些基本特点或性质将决定信号波形接触系统的效果。 在此前提下，来考虑由两个被电介质分开的导体组成的传输通道。对 于理想的情况，导体的交叉部分和分离部分以及电介质的性能，在导 体的全部长度上都保持一致，且通道上各电性参数都是一致的。正如 将要被讨论的，此种理想

10、的情况很少能获得，至少在连接器中，传输 波导线的这种电子性能是不确定的。如图 12.2 所示，为有一具有单一来源及单一负载、双线缆的传输波导线的示意图，该传输波导线理想的相当电路(假设无损失)也有部分 显示。特性阻抗用 Z0 表示，见下式：Z0=( LO/CO) 1/2 (12.5)L0是单位长度的自感系数(单位：亨利)；CO是单位长度的电容(单位： 法拉)。除了影响特性阻抗外，电容和电感也影响导线的其它重要的电子特性 ： 串扰。串扰是由激活状态下之导体的电磁场向外延展，并与其相邻导 体电磁场的相互作用产生的(无论其为信号还是接地导体) 。串扰及其 对信号波形的影响将在下一章讨论。以一实际的眼

11、光来看，公式12.5的应用价值有其局限性，因为L0和CO 是一个混合名词因而在实践中难以确定。更确切地说，特性阻抗可 根据材料和几何参数得出，如式 (12.6)：Z0= 1201/2 LnD/d+( D/d) 2 - 1(12.6)D和d:参阅图12.2:被导线环绕的介质常数从公式 1 2 . 6中可以看出，如前所提到的那样，几何参数决定其电感和 电容。有关信号传播的特性阻抗和串扰的问题将在下面章节将继续进行讨论， 在此必须提出传播波导线的另一特性 ：传播延迟。首先考虑到线缆或连接器中的传播延迟取决于信号在其绝缘介质中的 传播速率uP如式(12.3)中指出的，传播速率取决于包围在导体周围的绝缘

12、介质的有效介电常数。除此之外，传播延迟也取决于在传播方向 上的长度分量；它是一种对时间折测量，即在波形上取一特殊点，测 量其走过线的长度所用的时间。传播延迟，Td线的给定长度给出：Ted L/ u p(12.7)其中L:线的长度up传播速率式.(12.3)在真空中，一个电磁波的传播延迟率是 85ps/in。因几何量的变化而使 介电常量也在变化，正如在波的传播方向上，沿连接器的长度发生的 变化，也会影响其传播延迟率。例如，对于一1in(25.4 毫米)长的连接器，其传播延迟率大约为170ps，因为有效绝缘介质常数(其由于包括 各绝缘介质/气体交叉部分)的数量级为 4,其会因因素2而降低传播 速率

13、。依原理,由线缆或者是连接器引起的增值延迟,可以从材料和组件的 几何量中算出,因此,可以在系统设计中预先进行估算。对于导线的展开讨论和高频率的电子应用,请查阅 Katy1 和 Simed1 和Cang2上文中已给出一些基础知识，讨论了连接器在高速电子学中的 一些概况。12.3有关信号的传输质量 对于任何连接器的信号传输质量（STQ所需求的，是保持信号传输的完 整。该完整包括上升时间、电压以及持续的脉冲；换句话说，就是保 持波形完整。为了提高信号的传输质量，连接器或任何其它的互连设 备，可通过延迟脉冲 （其可影响信号时间 ）或通过扭曲脉冲的波形 （其可 影响信号触发需求装置的能力 ）来影响脉冲的

14、完整性。采用信号衰减和 反射等手段可使其发生扭曲。记住这些信号中的每一个信号衰减机理 是变化的这一点，是非常重要的，其一般随着以脉冲上升时间来表示 的系统速度的变化而更加严格 .12.3.1 互连延迟互连延迟即互连体（连接器）内增值延迟的总量，再加上脉冲通过互 连络体的时间。正如早些讨论的那样，增值延迟是传输路径设计、特 别是路径的长度及绝缘介质的一个函数。系统设计者必须考虑，在系 统传输路径设计中这些互连体的作用。系统的速度也是由系统设计者 决定，特别是通过对信号上升时间的选择来决定。高性能系统需要高 质量、低噪声且快速、稳定的信号。当上升时间减少时，要获得如此 的稳定性，其困难就增加了。当给予选择和电路界面形状及互连系统 的设计足够的重视时，高质量的信号传输还仅是可能的 .随着系统操作速度的上升，在互连系统中的增值延迟就成为全部信号 延迟的重要部分。为了在系统水平中实现最大速度，必须优化互连系 统的响应；也就是互连体的增值延迟和不匹配的阻