High Speed Cable 高频基本知识简介

High Speed Cable 高频基础知识简介

January 17, 2014

Jet Shen

前言

随着科技的进步,人类对信息通讯产品愈加倚赖，信息电子产品之指令周期传输信息量皆大幅提升，电子零组件之高频特性愈发重要。例如，PCB、线缆、连接器等过去被视为单纯桥接作用之组件，现有规格都增加了衰减(Insertion Loss)、回损（Return Loss）、特性阻抗(Impedance)、串音(Cross talk)、传输延迟(Propagation delay)、Propagation delay skew、隔离效果(Shielding effectiveness)、等高频特性要求。

内容目录

高频的概念

高频的参数

高频的测试

高频与制程的联系

高频的概念

多快才算高频?

一般而言,当待测物长度>( 或=) 信号波长1/10. (有些数据定为波长1/20)

我们经常见到的高频传输cable有USB3.0, SATA, SAS, Infiniband, PCIe, Mini-SAS, QSFP, SFP+….等.

高频的概念----时域和频域

时域和频域的关系

•对同一对象的不同观察角度

“时域”用来观察信号随着时间轴变化的情形

“频域”用来显示信号在不同频率点上的能量分布状况

•频域和时域的信息可以藉由傅利叶变换(Foruier Transform)来转换•用于时域的仪器:

示波器和TDR(Time Domain Reflectometry)

•用于频域的仪器

频谱分析仪和网络分析仪(Network Analyzer)

高频的概念----时域和频域

时域和频域的关系

振幅

(能量)

时域测试方法频域测试方法

高频的概念----dB

dB值的观念与定义均由能量(Energy) 或功率(Power)的观点出发( Power等于Energy对时

间的微分, 或单位时间输出的能量)，dB值重要处在于:

1. 对数值显示可以看更广的范围。

2. 仪器制造商以dB值来表示产品性能。

3. 数值的乘除等于用dB值的加减，故用dB值可以方便计算。

DUT

SOURCE LOAD V

s

R s

V in

R in

V

OUT

R L

P V

∝2

高频的概念----上升时间（Risetime）&频宽（width）

上升时间(Rise time)

信号上升时间﹕信号经过传输器件或通路的最快上升沿所对应的时间。

通常指10%振幅至

90%振幅(上,下沿

的过冲量不计)间

的时间

高频的概念----上升时间（Risetime）&频宽（width）带宽与上升时间的关系

带宽﹕信号内所含的最高有效频率分量.

t r

(Rise Time)90%

10%Ideal Signal

Real Signal

高频的概念----上升时间（Risetime）&频宽（width）被测上升时间

t t r t 2

2儀表被測+=t 被测=被测上升时间t r =信号上升时间t 仪表=测量仪表的上升时间

9

信号带宽越宽﹐含谐波分量越多﹐合成的波形就越陡峭﹐即tr越短。9

带宽大的传输线可承载更高频率的信号﹐因而有更高的数据传送量。9

仪表应有的上升时间应小于被测件的上升时间。9测量上升时间使用的仪表,若其上升时间小于被测上升时间的2倍,产生的误差约10% ; 当仪表上升时间小于被测上升时间的7倍,误差可降到1%。

高频的参数----阻抗（Impedance）

在传输线的任何长度上，高频电压与电流的比值固定，称之为特征阻抗不同的传输线(不同的CABLE，不同的CONNECTOR)会有不同的R、L、G、C参数，这些参数可经由不同材质，结构形状予以设计调整。

Z

R j L

G j C o

=

+

+

ω

ω

1. Impedance(阻抗)

R为直流电阻

G为直流电导

C为导线间的互容

L为导线的自感

W是角频率

当传输线处于高频传输状态时,W值很

大,R和G可以忽略不计.

Impedance(阻抗) = Resistance(电阻) + Reactance(电抗)

低频时：reactance很小，主要是看resistance。因此在直流及低频时，所量测(譬如用三用电表)到的是电阻。

高频时：resistance很小，主要是reactance(电容及电感的效应)。故在高频时，reactance就是指阻抗。

Z

R j L

G j C o

=

+

+

ω

ω

Reactance有两种：Inductive reactance (XL = ωL) 感抗

Capacitive reactance (Xc = 1 /ωC) 容抗

对理想传输线,当R= 0,G=0,

即无损耗时,Z O为特性阻抗. 高频的参数----阻抗（Impedance）

高频的参数----插入损耗（Insertion Loss）

传输系数(T):输出电压与入射电压的比值.

插入损耗(Insertion Loss ):信号藉由连接器从一个传输路径转接至另一传输路径时产生的损失,插入损耗又被称之为衰减.

衰减(Attenuation) :讯号行经连接器或线缆所损失的能量(包括热损耗和辐射损耗)

传输系数

τ

φ∠== V V T incident d Transmitte 插入损耗

τ

log 20V V log 20 Incident on Transmissi −=−DUT

V Incident

V Transmitted