高频连接器介绍及设计重点(超详细_超经典)

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2. 信号传输的方式
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）
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。
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6.特性阻抗 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， 其特性阻抗值会随之 减少。
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6.特性阻抗 Point to remember


随着讯号线长度越长其特性阻抗会有上升的趋势。
随着介电常数的增加，其特性阻抗值会随之减少。
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7.串音杂讯 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)
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7.串音杂讯 为什么要谈串音杂讯
无损耗传输线的传递速度可以表示为：
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8.传递延迟 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。
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8.传递延迟 Point 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）
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7.串音杂讯 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。
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7.串音杂讯 Point 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。
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1. 前言
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 为电子连接器厂商一个重要的议题。
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）
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4.高频连接器的重点要求项目
特性阻抗（Characteristic Impedance) 串音杂讯（Crosstalk） 传递延迟（Propagation Delay） 偏移（Skew）
介入损失（Insertion Loss）or 衰减（Attenuation）
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6.特性阻抗 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 4.5mm 6.5mm 12mm 14mm 自容值Cself（pF) 0.713475 0.811567 1.0744 1.16462 自感值Lself（nH) 1.86799 2.72011 5.09864 5.93517
发现随着讯号线长度越长自容和自感值有上升的趋势
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6.特性阻抗 模拟讯号线长度变化对特性阻抗的影响
发现随着讯号线源自文库度越长自容 和自感值有上升的趋势。
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6.特性阻抗 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 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。
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2. 信号传输的方式
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，则此时的元件为散布元件 （distributed element）。
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
Tr×f=0.5中可得出f=0.5/Tr=1GHz
再由λ=c/f中可求出λ=3×108/1×109M=0.3M=300mm L/6=λ/12=300/12(mm)=25(mm)<33(mm)
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。
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8.传递延迟 传递速度（Propagation Velocity）
电子信号的传递速度是依据其周遭的环境所决定，在传输 线中的传递速度为：
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9.偏移 偏移（Skew）的影响
规范中定义的Intra-pair skew是为了确保同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。
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8.传递延迟 何谓传递延迟（Propagation Delay）
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花费的时间称为总共的传递时间 延迟
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8.传递延迟 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。
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增加介质的介电系数，可降低传递延迟（ Propagation Delay）
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9.偏移 何谓偏移（Skew）
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 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
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9.偏移 何谓偏移（Skew）
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3.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λ /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。
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3.高频连接器的条件
例：USB连接器长度约为33mm USB 1.1中其最快传输速度为12Mbps，上升时间（rise time）为20ns 所以由Tr×f =0.5中可得出f=0.5/Tr=25MHz 再由λ=c/f中可求出λ=3×108/25×106M=12M=12000mm L/6= λ/12=12000/12(mm)=1000(mm)>>33(mm)
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件。 串音杂讯会产生假信号。
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7.串音杂讯 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=0.5
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7.串音杂讯 模拟串音杂讯和信号线间距的关系
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。
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7.串音杂讯 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。
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5.波动和波导 波动和波导
波动的几个重要物理概念：
波速（wave velocity）
阻抗（impedance） 反射（reflection）与穿射（transmission）
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6.特性阻抗 为什么谈特性阻抗
连接器的自容和自感会影响其特性阻抗(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 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。 若是连接器和系统发生阻抗不匹配(impedance mismatch)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 量的来源之一。
Rev.A
高频连接器详细介绍及设计重点
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Revision change description : Rev.
Rev. A
Change cause/description
Initial release
Note
Lex Ai 2011.03.24
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Index
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 前言-----------------------------------------------信号传输的方式--------------------------------高频连接器的条件-----------------------------高频连接器的重点要求项目-----------------波动和波导--------------------------------------特性阻抗-----------------------------------------串音杂讯-----------------------------------------传递延迟-----------------------------------------偏移-----------------------------------------------衰减-----------------------------------------------Summary------------------------------------------
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。