阻抗匹配对高速连接器信号完整性的影响

阻抗匹配对高速连接器信号完整性的影响赵明敏(中国电力科学研究院，北京市海淀区100192）Theeffectofimpedancematchingtohigh-speedconnector’ssignalintegrityMing.Min.ZHAO(ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192）摘要：过去10年间频率/传送的速度从0.1Gbps增长到目前已超过10Gbps的速度并正向更高速发展。因此，在高速连接器应用中，连接器的阻抗匹配、串音、传播延迟以及走线形状都是要考虑的重要因素。其中，阻抗匹配又是解决信号完整性问题的前提，本文通过理论计算和软件仿真两种方法得出了高速连接器中阻抗匹配的规律，从而有效的解决了由阻抗不匹配导致的信号完整性问题。关键词：高速连接器阻抗匹配信号完整性Abstract:Overthepast10years,thefrequency/transmissionspeedhasgrownfrom0.1Gbpsto10Gbpsandthepaceismorerapiddeveloping.Thus,inthedesignofhigh-speedconnectorapplications,theimpedancematching,crosstalk,propagatingdelayandalignmentshapeofconnectorareimportantfactorstobeconsidered.Theimpedancematchingistheprerequisiteforsolvingthesignalintegrity,thispaperproducestheimpedancematchingruleofhigh-speedconnectorthroughtheoreticalcalculationandsoftwaresimulation,therebyeffectivelyresolvingtheproblemofsignalintegritywhichimpedancemismatchingleadsto.Keywords:high-speedconnector;impedancematching;signalintegrity1引言随着智能电网的高速发展，电力系统对自动控制、继电保护、通信等方面的性能要求越来越高，对其所使用的电子元器件的要求也越来越严格。目前电力电子设备的信号频率也在不断的提高，这就不可避免的给设备带来串扰、反射、衰减、阻抗不匹配等信号完整性问题[1]。而在电力电子系统中，连接器是器件与组件、组件与组件、子系统之间形成电气连接，构成一个完整系统的必需元件。连接器的性能、可靠性则直接影响到电子设备的性能及可靠性。连接器的好坏起着决定性的作用，因此需要改进连接器技术来提高系统的信号完整性和电磁兼容[2-8]。目前，各种控制电路及通信设备日益轻、薄、短、小，高速电子连接器内部的传输线和端子越来越细密，使得高频的问题更加严重，例如：匹配阻抗。由于在连接器内部存在走线形状的变化，导致传输线阻抗不均匀，所以阻抗的匹配是设计连接器的前提。本文利用共面波导理论和二维场求解器分析计算了变截面传输线的阻抗，找出了阻抗变化的规律，解决了连接器内部传输线的阻抗匹配问题。2问题描述所谓阻抗匹配是指让信号传输的环境相同，这样就不会有反射的出现。电阻是针对集总元件定义的，是实数，只会造成信号的衰减；阻抗是针对分布元件所定义的，是复数，因为在高频时相对应的波长短，波长和元件尺寸可比拟。假如连接器所处的系统为100ohm，连接器的传输线及接触端子都为100ohm时，则是阻抗匹配；若不是100ohm时，则阻抗不匹配，会造成信号传输到连接器时产生反射，导致信号的衰减。引起连接器阻抗变化的原因主要有三部分：传输线形状、传输介质和接触处形状。如下图所示的三个模型：图1传输线形状图2传输介质图3接触处形状上图中红色代表信号线，G代表地线，S+和S-为差分信号对，深蓝色代表起支撑作用的传输介质，绿色代表接触处底座的插孔。G、S+、S-和G四条传输线是连接器中最基本的传输单元，研究连接器可以从此基本单元入手。依据共面波导的理论，G、S+、S-和G四条传输线视为一组类共面波导。连接器主要的功能就是传输信号，并保持信号的完整性，所以连接器造成信号的反射越少越好。高速连接器的中所定义的阻抗值都有一个范围，例如某型号连接器其阻抗的定义范围是在上升时间150ps下测量，其值必须为100正负15ohm之内，则符合规范定义的值。因为高速连接器内部传输线结构较复杂，并不是处处均匀一致，有弯角、倒刺和宽度的改变，都会造成阻抗的不一致，所以规范都会定义阻抗值在一个范围内。3理论分析计算在高速数字系统中，常把信号称为变化的电压或变化的电流，而与信号相互影响的关键电气特性就是互连线的阻抗。我们把阻抗定义为电压和电流之比，通常用大写字母Z表示阻抗。Z=V/I这个定义，始终都是正确的，且式子中的电压、电流和互连线的阻抗这三个基本参量的相互影响决定了所有的信号完整性的问题，当信号沿互连线传输时，它将不断地探测互连线的阻抗并做出相应的反应。均匀传输线也称为可控阻抗传输线，通过调节其宽度、厚度、线间距离和周围介质的介电常数便可控制阻抗大小。设计一个特定的特性阻抗，实际上就是不断调整线宽、线间距离和介电常数的过程。根据性能指标，本文中连接器的内部传输线采用窄边耦合的类共面波导结构，这种结构阻抗可控，利于减小反射，提高信号的质量。图4为其基本单元结构。模型的建立：图4基本单元其中，宽度w，长度m，间距n；近似公式法：除了少数特殊情况外，所有其他关于特性阻抗及其几何结构的公式都是近似的。近似法的误差一般在15%以内，如果误差超过5%会造成设计周期和成本的增加，近似方法就不适用，但近似的作用在于它指出了几何结构各参数之间的关系，可以用于棋盘对照表中灵敏度的分析。本文设计时取m=0.5mm,类共面波导特性阻抗零阶近似式为：ezzε'00=()()kKkKr'2160•+=επ（1）其中，()kK为第一类完全椭圆积分，()()''kKkK=，nwwk+=22，2'1kk−=；取w=1.2m=n=0.5查表并计算得到特性阻抗为116ohm，4仿真分析验证二维场求解器法：二维场求解器是计算阻抗的最重要工具，其精度优于0.5%。预计阻抗时的任何不精确计算，都会直接增加制造出的阻抗的离散性。本文使用Ansoft2DExtractor仿真得到阻抗的变化规律，结果如下：图1连接器差分对形式通过Ansoft的2D的仿真优化，当改变g、t、W1、W2这些参数时，差分对的特性阻抗都会发生一定的变化，适当的调整这些参数可以匹配连接器的特性阻抗，进而可以使连接器传输完整的电信号。（因为特性阻抗与长度无关，所以SI2D中仿真时纵向针长度取无限长）图2差分对针厚t对特性阻抗的影响改变差分对的厚度t，如图2所示，随着差分对针的厚度的增加，差分阻抗值会很明显的减小，斜率逐渐减小，设计时要避免将t设置在斜率大的地方。图3差分对信号针长W1对特性阻抗的影响图3是差分对信号针S的长度W1变化时差分对的特性阻抗值。可见随着信号针长度W1的增加，差分对的差分阻抗不断减小，当针长较短时，阻抗变化比较明显，当长到一定程度时，趋于平缓。图4地针长度W2对特性阻抗的影响如图4所示，改变地针长度W2对相邻地平面没有什么影响，所以差分对的特性阻抗值基本上没有什么改变。因此W2的长度可以根据具体设计的需要做相应的改变而不至于很明显的影响到连接器的传输性能。图5针间距g对特性阻抗的影响如图5所示，当差分对信号针之间的间距g增加时，特性阻抗也随之增加，并逐渐趋于稳定。可见，地针不仅可以起到屏蔽的作用，而且适当选取g的大小，就可以在一定程度上控制特性阻抗的大小。综合考虑各个参数对连接器特性阻抗的影响以及连接器的加工精度，并结合目前一些主流的高速连接器的参数的选取，当选取g=0.5mm，t=0.42mm，W1=1.5mm，W2=1.8mm时，通过SI2D计算得到差分对的差分阻抗为99.458Ω，如图6所示。图6差分阻抗计算结果理想无损传输线的特性阻抗与单位程度电容CL和单位长度电感LL的大小有关，电容和电感的关系为：LLCL=0Z(2)由于趋肤效应的影响，单位长度电感会随着频率而变化。当频率远高于趋肤效应的频率时，所有的电流都分布在导线的表面，频率再升高时，基本上不随频率的变化而变化，回路电感和特性阻抗都基本为常量。改变信号传输的频率可以得到不同频率下的特性阻抗值如图7。由结果可知，在低频时，特性阻抗比较高，随着频率的增加，在50MHz以前特性阻抗不断下降，其后特性阻抗基本上是常量，所以连接器的阻抗只要设计的恰当，在高频工作时阻抗所带来的影响基本不用考虑[9]。图7特性阻抗与频率的关系时域波形观察法：将仿真得到的SPICE模型导入到AnsoftDesinger中进行时域分析（如图16）。时域分析结果如图17及图18，可以看到当阻抗不匹配时波形幅值减小并产生振铃现象，这是由于阻抗突变产生的反射造成的。图16时域仿真电路图17阻抗匹配输出波形图18阻抗不匹配输出波形5结论本文在相关材料和经验的基础上，采用理论分析计算与软件仿真验证相结合的分析形式，给出了一种确定高速连接器特性阻抗的方法，得到了阻抗匹配的规律。近似法计算和二维场求解器法有大约10%的误差，这是由于近似法的不准确和高频时趋肤效应造成的。时域波形观察法验证了阻值的正确性，阻抗匹配的规律可以为高速、高密度连接器的设计提供有益的帮助。参考文献[1]顾其诤.微波集成电路设计［Ｍ］.第一版.北京：人民邮电出版社，1978:40-43[2]张攀科，裴昌幸，等.一种高速大容量背板的设计与实现［J］.电子科技，2004，10[3]EricBogatin.SignalIntegrity:SimplifiedＭ］.USA：PrenticeHallPTR，2003[4]StephenBSmith.InnovativeConnectorTechnologyRealizesPerformance,DensityandManufacturingSimplicity［C］.ElectricalContacts,2004:144-151[5]李华．信息高速公路和连接器工业的发展［J］．电子工程师，1995，03[6]张攀科，裴昌幸，等．一种高速大容量背板的设计与实现［J］．电子科技，2004，10[7]MagnusHenzler．德国ERNi公司的高性能连接器［J］．电子元器件应用，2005，05[8]孔宪宝．电连接器可靠性设计[J]．机电元件，1996，03[9]吕斌，唐敏，等.电连接器接触件优化设计研究［J］．计算机科学与技术，2006，06阻抗匹配对高速连接器信号完整性的影响作者：赵明敏作者单位：中国电力科学研究院,北京市海淀区100192引用本文格式：赵明敏阻抗匹配对高速连接器信号完整性的影响[会议论文]2013