高频连接器介绍及设计重点(超详细超经典)

1、Page:1Page:2Rev.Change cause/descriptionNoteRev. AInitial releaseLex Ai 2011.03.24Page:31 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 Summary-Page:4 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

2、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

3、一个重要的议题。1. 前言前言Page:5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。Page:6 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

4、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，

5、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Page:73.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。Page:8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、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Page:9特性阻抗（特性阻抗（Characteristic Impedance)串音杂讯（串音杂

7、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Page:10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Page:116.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

8、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Page:12模拟讯号线长度变化对

9、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Page:13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自容发现随着讯号线长度越长自容和自感值有上升的趋势。和自感值有上升的趋势。6.特性阻抗特性阻抗Page:14模拟

10、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，然而软体中，改变介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，然而不会改变电感值的计算。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。6.特性阻抗特性阻抗Page:15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增加，随着介电常数的增加，其特性阻抗值会随之其特性阻抗值会随之减少。减少。6.特性阻抗特性阻抗Page:16Point to remember 随着讯号线长度越长其特性阻抗会有上升的趋势。 随

11、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Page:17什么是串音杂讯（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Page:18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

12、件。串音杂讯会产生假信号。7.串音杂讯串音杂讯Page:19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Page:20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Page:21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

13、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Page:22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Page:23Point 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Page:24把人比喻成讯号人跑步比喻

14、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Page:25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Page:26传递速度（Propagation Velocity）电子信号的传递速度是依据其

15、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Page:27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Page:28Point 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Page:29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

16、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Page:30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Page:31偏移（Skew）的影响规范中定义的Intra-pair skew是为了确保同

17、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Page:32Point 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 sk

18、ew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Page:33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Page:34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Page:35为什么谈衰减原始的方波信号走的越远，

19、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Page:36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Page:37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Page:38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Page:39何谓反射的损失10.衰减衰减Page:40何谓介电损失（dielectric loss）所谓的介电损失乃