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文檔簡(jiǎn)介

1、Page:1Page:2Rev.Change cause/descriptionNoteRev. AInitial releaseLex Ai 2011.03.24Page:31 前言前言-2 信號(hào)傳輸?shù)姆绞叫盘?hào)傳輸?shù)姆绞?3 高頻連接器的條件高頻連接器的條件-4 高頻連接器的重點(diǎn)要求項(xiàng)目高頻連接器的重點(diǎn)要求項(xiàng)目-5 波動(dòng)和波導(dǎo)波動(dòng)和波導(dǎo)-6 特性阻抗特性阻抗-7 串音雜訊串音雜訊-8 傳遞延遲傳遞延遲-9 偏移偏移-10 衰減衰減-11 Summary-Page:4 電子連接器(Electrical connector)是泛指所有用在電子訊號(hào)與電源上的連接元件及附屬配件,廣義的連接器還包含插

2、座、插頭及Cable組立等。從電子封裝的觀點(diǎn)上來(lái)看,連接器是互相連接(interconnection)部份可離合或是替換的元件,換言之是所有訊號(hào)間的橋梁,因此連接器的性質(zhì)將會(huì)牽動(dòng)整個(gè)電子系統(tǒng)的運(yùn)作品質(zhì)。 電子連接器主要的功能為完整且正確的傳輸訊號(hào),所以在整個(gè)電子系統(tǒng)中,電子連接器是一個(gè)典型的被動(dòng)元件,它的發(fā)展與演進(jìn)完全跟著電腦的CPU,近年來(lái)由于CPU的速度不斷提高,由早期的33MHz、66MHz到Pentium III 500MHz至最近的Pentium 4 3.06GHz,連帶地提升主機(jī)板與電腦周邊的電子信號(hào)傳輸速度,因此擔(dān)任電子信號(hào)傳輸橋梁的電子連接器的高頻電氣特性,便成為電子連接器廠商

3、一個(gè)重要的議題。1. 前言前言Page:5信號(hào)的傳輸方式,可分為兩種:1.單端信號(hào)(single-ended)2.差動(dòng)信號(hào)(differential mode signal)2. 信號(hào)傳輸?shù)姆绞叫盘?hào)傳輸?shù)姆绞剿^的單端信號(hào),既是在驅(qū)動(dòng)器和接收器中,一個(gè)信號(hào)的傳輸僅需要一個(gè)導(dǎo)體(端子pin)。差動(dòng)信號(hào)的傳輸則是在驅(qū)動(dòng)器和接收器中,需要兩個(gè)完全相同并且匹配的導(dǎo)體,在這兩個(gè)導(dǎo)體上所傳輸?shù)男盘?hào)為兩個(gè)互補(bǔ)的信號(hào),也就是大小相同(振幅相同)并且極性相反(相位差180度)的兩個(gè)信號(hào)。Page:6 由于電子連接器為一被動(dòng)元件,它的主要功能為將信號(hào)完整的由IC傳至DEVICE及傳回IC,而所謂信號(hào)完整的定義為信

4、號(hào)在電路中能以要求的時(shí)序和電壓做出響應(yīng)的能力,也就是判斷數(shù)位訊號(hào)是0或是1。當(dāng)電路中信號(hào)能以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)IC,該電路就有很好的信號(hào)完整性:反之,就出現(xiàn)了信號(hào)完整性的問(wèn)題,IC就可能誤判或丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)。 在基本的電路學(xué)理論,只是電磁理論馬克斯威爾方程式的近似,也就是在特殊的狀況下才合理,主要是因?yàn)樵陔娐穼W(xué)中,元件大小遠(yuǎn)小于信號(hào)的波長(zhǎng),由于波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于元件尺寸時(shí),信號(hào)通過(guò)元件后的電壓電流的相位差可以忽略不計(jì),則此時(shí)的元件視為集總元件(Lumped element),換句話說(shuō),當(dāng)工作頻率在微波頻段中時(shí),元件的尺寸與波長(zhǎng)大小差不多,則信號(hào)通過(guò)元件后的電壓電流位差異很可能有大的差異,

5、則此時(shí)的元件為散布元件(distributed element)。2. 信號(hào)傳輸?shù)姆绞叫盘?hào)傳輸?shù)姆绞絇age:73.高頻連接器的條件高頻連接器的條件 何種電子連接器必須考慮高頻的影響,以下為一般的推論: 由上可得若電子連接器長(zhǎng)度大于/12mm,則必須視為散布元件(distributed element),在此狀況下就要考慮高頻效應(yīng)的影響。Page:8例:USB連接器長(zhǎng)度約為33mmUSB 1.1中其最快傳輸速度為12Mbps,上升時(shí)間(rise time)為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中并不須去考慮高頻的效應(yīng)。反觀在USB 2.0中,其最快傳輸速度為480Mbps,上升時(shí)間(rise time)為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中就必須考慮高頻的效應(yīng)。(以上推論是在=1的條件下)3.高頻連接器的條件高頻連接器的條件Page:9特性阻抗(特性阻抗(Characteristic Impedance)串音雜訊(串音雜

7、訊(Crosstalk)傳遞延遲(傳遞延遲(Propagation Delay)偏移(偏移(Skew)介入損失(介入損失(Insertion Loss)or 衰減(衰減(Attenuation)4.高頻連接器的重點(diǎn)要求項(xiàng)目高頻連接器的重點(diǎn)要求項(xiàng)目Page:10波動(dòng)的幾個(gè)重要物理概念:波動(dòng)的幾個(gè)重要物理概念:波速(波速(wave velocity)阻抗(阻抗(impedance)反射(反射(reflection)與穿射()與穿射(transmission) 5.波動(dòng)和波導(dǎo)波動(dòng)和波導(dǎo)波動(dòng)和波導(dǎo)波動(dòng)和波導(dǎo)Page:116.特性阻抗特性阻抗 連接器的自容和自感會(huì)影響其特性阻抗連接器的自容和自感會(huì)影響其

8、特性阻抗(impedance) 電磁波在傳輸線中傳遞時(shí),會(huì)因?yàn)閭鬏斁€中特性阻抗的不連電磁波在傳輸線中傳遞時(shí),會(huì)因?yàn)閭鬏斁€中特性阻抗的不連續(xù)或不匹配,而造成電磁波的反射,因此連接器的特性阻抗必須續(xù)或不匹配,而造成電磁波的反射,因此連接器的特性阻抗必須與前后的傳輸線相近。與前后的傳輸線相近。 若是連接器和系統(tǒng)發(fā)生阻抗不匹配若是連接器和系統(tǒng)發(fā)生阻抗不匹配(impedance mismatch)的的現(xiàn)象,如此一來(lái)此高頻參數(shù)(特性阻抗)將扮演信號(hào)傳輸時(shí)衰減現(xiàn)象,如此一來(lái)此高頻參數(shù)(特性阻抗)將扮演信號(hào)傳輸時(shí)衰減量的來(lái)源之一。量的來(lái)源之一。為什么談特性阻抗為什么談特性阻抗Page:12模擬訊號(hào)線長(zhǎng)度變化對(duì)

9、自容和自感值的影響模擬訊號(hào)線長(zhǎng)度變化對(duì)自容和自感值的影響 電氣參數(shù)高度變化自容值Cself(pF)自感值Lself(nH)4.5mm0.7134751.867996.5mm0.8115672.7201112mm1.07445.0986414mm1.164625.93517發(fā)現(xiàn)隨著訊號(hào)線長(zhǎng)度越長(zhǎng)自容和自感值有上升的趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)隨著訊號(hào)線長(zhǎng)度越長(zhǎng)自容和自感值有上升的趨勢(shì)6.特性阻抗特性阻抗Page:13模擬訊號(hào)線長(zhǎng)度變化對(duì)特性阻抗的影響模擬訊號(hào)線長(zhǎng)度變化對(duì)特性阻抗的影響發(fā)現(xiàn)隨著訊號(hào)線長(zhǎng)度越長(zhǎng)自容發(fā)現(xiàn)隨著訊號(hào)線長(zhǎng)度越長(zhǎng)自容和自感值有上升的趨勢(shì)。和自感值有上升的趨勢(shì)。6.特性阻抗特性阻抗Page:14模擬

10、介電常數(shù)變化對(duì)自容和自感值的影響模擬介電常數(shù)變化對(duì)自容和自感值的影響隨著介電常數(shù)的增加,其自容值也會(huì)隨之增加,然而軟體中,改變介隨著介電常數(shù)的增加,其自容值也會(huì)隨之增加,然而軟體中,改變介電常數(shù)只會(huì)影響電容值的計(jì)算,然而不會(huì)改變電感值的計(jì)算。電常數(shù)只會(huì)影響電容值的計(jì)算,然而不會(huì)改變電感值的計(jì)算。6.特性阻抗特性阻抗Page:15模擬介電常數(shù)變化對(duì)特性阻抗的影響模擬介電常數(shù)變化對(duì)特性阻抗的影響隨著介電常數(shù)的增加,隨著介電常數(shù)的增加,其特性阻抗值會(huì)隨之其特性阻抗值會(huì)隨之減少。減少。6.特性阻抗特性阻抗Page:16Point to remember 隨著訊號(hào)線長(zhǎng)度越長(zhǎng)其特性阻抗會(huì)有上升的趨勢(shì)。 隨

11、著介電常數(shù)的增加,其特性阻抗值會(huì)隨之減少。6.特性阻抗特性阻抗Page:17什么是串音雜訊(Cross talk)串音雜訊是由于動(dòng)態(tài)信號(hào)(或時(shí)變電壓、電流),因電磁感應(yīng)定律所引起的電磁波,對(duì)鄰近的信號(hào)線造成的干擾,在高頻的時(shí)候此種現(xiàn)象將會(huì)更加嚴(yán)重。在兩導(dǎo)體間的串音雜訊是依據(jù)其間的互容與互感。串音雜訊又分為近端雜訊(backward)和遠(yuǎn)端雜訊(forward)7.串音雜訊串音雜訊Page:18為什么要談串音雜訊控制串音雜訊的原因,首先是串音雜訊會(huì)使得信號(hào)線上的信號(hào)衰減,極度的衰減會(huì)使得無(wú)法觸發(fā)想驅(qū)動(dòng)的元件。再者若被害端作為信號(hào)線時(shí),則串音雜訊會(huì)使得被害端的信號(hào)失真,進(jìn)而使得被害端無(wú)法稱為觸發(fā)元

12、件。串音雜訊會(huì)產(chǎn)生假信號(hào)。7.串音雜訊串音雜訊Page:19模擬串音雜訊和頻率的關(guān)系上升時(shí)間愈短表示愈高頻,由上圖得知當(dāng)上升時(shí)間愈短。時(shí)其近端和遠(yuǎn)端串音雜訊會(huì)愈大。 Tr*f=0.57.串音雜訊串音雜訊Page:20由上圖可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩信號(hào)線間的距離愈靠近時(shí),串音雜訊的峰值會(huì)愈大,也就是產(chǎn)生的串音雜訊愈嚴(yán)重。模擬串音雜訊和信號(hào)線間距的關(guān)系7.串音雜訊串音雜訊Page:21模擬串音雜訊和介電常數(shù)的關(guān)系在遠(yuǎn)端時(shí)互容造成的電容性電流和互感造成的電感性電流的極性相反,當(dāng)互容值隨著介電參數(shù)的增加而增加,加上互感值不變,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)介電常數(shù)增加時(shí),對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)端串音雜訊將會(huì)變小。在近端時(shí),因?yàn)殡娙菪噪娏骱碗姼行噪?/p>

13、流的極性是相同的,所以具有相加性,所以近端串音雜訊將隨著介電常數(shù)的增加而增加。7.串音雜訊串音雜訊Page:22模擬不同高度對(duì)串音雜訊的影響由上圖得知,當(dāng)連接器高度愈高時(shí)(即端子長(zhǎng)度愈長(zhǎng)),其近端和遠(yuǎn)端串音雜訊會(huì)愈大。7.串音雜訊串音雜訊Page:23Point to remember 串音雜訊的產(chǎn)生是由于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體的周圍電磁場(chǎng)耦合到鄰近的導(dǎo)體。 串音雜訊的強(qiáng)度主要是由兩導(dǎo)體分開的距離和入侵與被害端的橫截面幾何來(lái)決定。減少串音雜訊的方法: 1.增加兩導(dǎo)體之間的距離。 2.減少導(dǎo)體的橫截面。 3.導(dǎo)體長(zhǎng)度愈短愈好。 4.改變膠芯的介電常數(shù)。7.串音雜訊串音雜訊Page:24把人比喻成訊號(hào)人跑步比喻

14、成訊號(hào)傳輸跑步經(jīng)過(guò)的路比喻成訊號(hào)傳輸?shù)穆窂饺藦钠鹋苎刂纷詈蟮竭_(dá)目的地所花費(fèi)的時(shí)間稱為總共的傳遞時(shí)間延遲何謂傳遞延遲(Propagation Delay)8.傳遞延遲傳遞延遲Page:25何謂傳遞延遲(Propagation Delay)根據(jù)ANSI/EIA 364-103規(guī)范所定義,傳遞時(shí)間乃是訊號(hào)通過(guò)待測(cè)物所需要的時(shí)間。所謂的傳遞時(shí)間乃是電磁波在每單位長(zhǎng)度傳輸線中,傳遞所需要的時(shí)間,因此傳遞時(shí)間也就是波傳速度的倒數(shù)。對(duì)連接器而言,有時(shí)傳遞時(shí)間是指電磁波通過(guò)整個(gè)連接器所需要的時(shí)間。8.傳遞延遲傳遞延遲Page:26傳遞速度(Propagation Velocity)電子信號(hào)的傳遞速度是依據(jù)其

15、周遭的環(huán)境所決定,在傳輸線中的傳遞速度為:無(wú)損耗傳輸線的傳遞速度可以表示為:8.傳遞延遲傳遞延遲Page:27傳遞延遲(Propagation Delay)的決定根據(jù)ANSI/EIA 364-103規(guī)范所定義,量測(cè)傳遞延遲是以輸入信號(hào)和輸出信號(hào)在振幅10%和50%之間的時(shí)間差。8.傳遞延遲傳遞延遲Page:28Point to remember降低單位長(zhǎng)度的電容或降低單位長(zhǎng)度的電感,可降低傳遞延遲(Propagation Delay)增加介質(zhì)的介電系數(shù),可降低傳遞延遲( Propagation Delay)8.傳遞延遲傳遞延遲Page:29許多的人比喻成許多的訊號(hào)許多人跑步比喻成許多的訊號(hào)傳輸

16、跑步經(jīng)過(guò)的路比喻成訊號(hào)傳輸?shù)穆窂矫總€(gè)人從起跑沿著路最后到達(dá)目的地所花費(fèi)的時(shí)間差異稱為Skew何謂偏移(Skew)9.偏移偏移Page:30何謂偏移(Skew)偏移(skew)也就是信號(hào)傳遞的時(shí)間差,時(shí)間偏移又有分成兩種,分別是intra-pair skew和inter-pair skew。intra-pair skew是信號(hào)在相同信號(hào)對(duì)(same data pair)中傳遞的時(shí)間差。inter-pair skew是信號(hào)在不同信號(hào)對(duì)(differential data pair)中傳遞的時(shí)間差。9.偏移偏移Page:31偏移(Skew)的影響規(guī)范中定義的Intra-pair skew是為了確保同

17、一對(duì)差動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)連接器一對(duì)端子后,還可以保持能接受的差動(dòng)不平衡,才能使得差動(dòng)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)出來(lái)。若此兩互補(bǔ)的差動(dòng)信號(hào)的Intra-pair skew不相同,則會(huì)影響邏輯轉(zhuǎn)換的時(shí)間,嚴(yán)重則會(huì)造成不觸發(fā)。Inter-pair skew若是差異太大,則會(huì)造成不觸發(fā)或是不同步觸發(fā)。9.偏移偏移Page:32Point to remember偏移為傳輸路徑的設(shè)計(jì)、尤其是傳輸路徑的長(zhǎng)度和絕緣介電值的一個(gè)函數(shù)。Intra-pair skew的考量中,在同一對(duì)信號(hào)中的兩個(gè)導(dǎo)體其傳輸路徑的長(zhǎng)度必須相同,傳輸環(huán)境必須相同,也就是導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和材料以及周圍的絕緣介電質(zhì)(介電常數(shù))必須相同。而Inter-pair sk

18、ew的考量和Intra-pair skew的考量是相同的,不過(guò)要不同對(duì)的傳輸路徑。傳遞信號(hào)的導(dǎo)體長(zhǎng)度越長(zhǎng),其造成的intra-pair skew會(huì)越大。9.偏移偏移Page:33把人比喻成訊號(hào)人跑步比喻成訊號(hào)傳輸跑步經(jīng)過(guò)的路比喻成訊號(hào)傳輸?shù)穆窂饺藦钠鹋苎刂纷詈蟮竭_(dá)目的地所消耗的能量稱為總共的衰減量何謂衰減10.衰減衰減Page:34何謂衰減(Attenuation)或介入損失(Insertion loss)平均功率(average power)的傳輸經(jīng)由待側(cè)無(wú)(連接器)的輸入端到輸出端所產(chǎn)生的損失稱為衰減,通常是以dB值來(lái)測(cè)量。10.衰減衰減Page:35為什么談衰減原始的方波信號(hào)走的越遠(yuǎn),

19、信號(hào)就越來(lái)越不像方波,其改變不只是振幅而已,還會(huì)改變其邊緣的情況,這就是信號(hào)的衰減。10.衰減衰減Page:36造成衰減的因素船速線的結(jié)構(gòu)(Transmission Line Structure)。介質(zhì)材料性質(zhì)(Dielectric Material Property)。導(dǎo)體的電氣特性(Resistance)。信號(hào)的頻率(Signal Frequency)。10.衰減衰減Page:37衰減的模式導(dǎo)體的損失(copper loss,電阻所導(dǎo)致功率的損失,所以要減少電阻所造成的損失)。發(fā)射損失(reflection loss,傳輸路徑中的不連續(xù)處的阻抗不匹配所造成的損失)。介電損失(dielectric loss,介電材料性質(zhì),由于介電質(zhì)材料具有很大但不是無(wú)限大的電阻,因此會(huì)造成一些功率的損失,為頻率和傳輸距離的函數(shù),頻率愈高或距離愈長(zhǎng)介電損失愈嚴(yán)重)。輻射損失(radiation loss,在高頻的時(shí)候有較多的電磁波能量輻射出去)。10.衰減衰減Page:38何謂導(dǎo)體的損失電阻:代表電流在物體中的傳導(dǎo)阻礙強(qiáng)度,能量以熱能的方式損耗,即信號(hào)通過(guò)電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降。10.衰減衰減Page:39何謂反射的損失10.衰減衰減Page:40何謂介電損失(dielectric loss)所謂的介電損失乃

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