高频连接器设计基础

串音(Crosstalk)
與電容C及L有關
時間延遲
Td=(LC)1/2各端子不可有太大差異
影響連接器高頻性能之因素
互感(Mutual inductance)->串音 (Crosstalk XT) 串列電感->降低信號傳輸速度並產生電磁干 擾 散雜電容->降低信號傳輸速度
設計高頻連接器所需之背景技術
高頻connector 訊號品質之設計重點
產品設計完成
設計技術
模擬分析
電磁場->L,C,R 等效電路->Xtalk,阻 抗Z0
測試分析
時域反射儀(TDR) Tektronix 11801C 向量式網路分析儀 (VNA) HP 8753E, ANRITZU M4623B
軟體工具
ANSOFT SPICELINKTM ->電磁場 電路模擬 電磁場,電路模擬 電磁場 Orcad PSPICE ->電路模擬 電路模擬
模擬分析的流程
工程圖
*Autocad 作圖 Autocad
元件分析
*SPICELINKTM
Q3D計算 *產生LCR矩陣 LCR矩陣 LCR *產生等效電路 等效電路
電路分析
*PSPICE PSPICE計算 PSPICE Z0,Xtalk…...
元件分析
R,L,C,G矩陣 矩陣
r0 (r1 + r0 ) r (r2 + r0 ) R= 0 ... ... r0 r0
C1
0.8p RL
高頻觀念介紹
V4 0Vdc 1Vac TRAN =
50
<BiasValue Voltage>
0
C在高頻時為短路⇒高通(HIGH PASS)元 件
Rs
T1
C1
L1 2nH
V4 0Vdc 1Vac TRAN =
0.8p
RL 50
高頻觀念介紹
利用L,C可以控制頻帶
0
高頻觀念介紹
集總
0
V如何轉成Z0
ρ=(v-v0)/v0 Z0=R*(1+ρ)/(1-ρ) R為背景阻抗,通常為0
電路分析
結論
一般而言,除同軸連接器及其他特殊連接器, 端子的長度都較短,LCR是主要設計參數 LCR參數須在元件設計階段考慮 Z0, 串音是評估連接器性能主要指標,可由 LCR構成之等效電路評估 等效電路模型(集總,分布)之選擇須先評估
工程電磁學
電感,電容效應;電磁屏蔽技術
基本電路學
信號品質分析-串音,阻抗匹配等
微波工程學
微波頻率下之元件特性-S參數,阻抗設計
量測技術
設計相關技術與流程
connector規格 結構設計與分析
高頻連接器電氣特性模擬技術 (ANSOFT)
高頻測試技術開發 (TDR, VNA)
高頻訊號品質分析 (SPICE)
∑c
k百度文库=1
n
LINPAR SPICELINK(ANSOFT R通常很小 G忽略 對角為自容(感),其他部 分為互容(感)
2k
... − cn 2
等效電路之產生
MULTLIN SPICELINK(ANSOFT)
LC = CL = µε 1n LG = GL = µσ 1n
電路模擬
PSPICE
SPICELINK模擬
n ∑ g1k k =1 G = − g 21 ... − g n1 − g12
R,L,C,G之計算
... l1n ... l2 n ... ... ... lnn
− c1n ... − c2 n ... ... n ... ∑ cnk k =1 ...
λ
* 靜電磁場分布 * 適用較短之端子
L
分布
0 0 0
* 動電磁場分布 * 適用較長之端子或纜線(cable)
高頻觀念介紹
電抗Z=R+jX
實部R=>電阻 虛部X=>XC= -1/(ωC) XL=ωL ω=2πf, f= f=頻率 f↑ => XC↓, XL ↑ f ↓ => XC ↑, XL↓
特徵阻抗Z0=(L/C)1/2
電容C↔電場E 電感L ↔磁場M
自感(selfinductance)
V(t)
0
自容(selfcapacitance)
0
V(t)
Rs
T1
L1 2nH
RL V4
高頻觀念介紹
0Vdc 1Vac TRAN =
50
<BiasValue Voltage>
0
L在高頻時為斷路⇒低通(LOW PASS)元件
Rs
T1
假設高頻(Tr小)無損 Tr愈短,Z0愈大
傳遞延遲td=(LC)1/2
高頻觀念介紹
電路模型與特徵阻 抗Z0
原是傳輸線之觀念 應用於長直導線 假設高頻無損 Z0=(L/C)1/2為平 均效應,直接轉用 分布模型較能反映 實況適用高頻 低頻時可用集總模 型簡化
LUMPED MODEL
集總模型
DISTRIBUTED MODEL
分布模型
高頻觀念介紹
Tr:爬昇時間
90%
D=介質中之傳遞延遲 = (µrεr)1/2/c0
c0=3.0E8[m/s] =1.18E10[in/s] 單位 ps/in µr~1.0 Td~εr1/2
Medium Delay(ps/in) ε r Air 84.7 1.0 Coax cable 128.5 2.3 FR4 179.8 4.5
高頻連接器設計基礎
xxx技術研究院 xxxx材料研究所 E-mail: Tel:
內容
高頻觀念介紹 高頻連接器之性能指標 高頻連接器之設計技術背景 設計流程 元件模擬 電路模擬
高頻觀念介紹
集總與分布電路 高頻⇔高速 信號上升長度 著重於被動元件之行為
低速→連接通路 高速→直接影響性能 傳輸(反射等) 串音 電磁干擾
頻率的影響
電容:斷路(LF)-短路(HF) 電感:短路(LF)-斷路(HF)
(length of rising edge) l=Tr/D [in] l代表信號在介質中上 升所需距離 若lc代表系統長度 lc<l/6=>集總 lc>1/6=>分布
長->分布 短->集總
高頻觀念介紹
高頻因信號之“快速 震盪”使得能量分布 於電磁場
... r0 l11 l12 l ... r0 l , L = 21 22 ... ... ... ... ... (rn + r0 ) ln1 ln 2
− c12
∑ g 2k
k =1
n
... − gn2
n − g1n ∑ c1k k =1 ... − g 2 n , C = − c21 ... ... ... n − cn1 ... ∑ g nk k =1 ...
SPICELINK模擬
設計基本概念
L與電流流徑長度有關,愈短愈好 C與導體表面積有關,增加C可降低Z0 L,C同時影響串音效應 塑膠主要影響C值,介電常數愈高,C愈大 SPICELINKTM提供設計上對L,C修改之訊 息
電路分析
步驟
將等效電路轉入 安排模擬電路 設定參數 電阻,傳輸線 電源:Tr 分析時間長度 計算 看電壓,Xtalk 轉成Z0
10%
Tr與頻率的關係
定義Fknee=0.5/Tr f<Fknee=>訊號通過 f>Fknee=>對數位信號 影響小
高頻觀念介紹
Cm
遠端串音 FEXT
V
近端串音 NEXT
高頻連接器之性能指標
阻抗匹配(Impedance match)
Z0=(L/C)1/2必須與背景值接近 Z0與爬升時間Tr(rise time)有關Tr↑ Z0 ↑