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何为影响连接器回波损耗和插入损耗的决定性因素?
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何为影响连接器回波损耗和插入损耗的决定性因素?

2020-09-07 14:17:22 来源:连接器世界网 作者:Cadence PCB公司

【大比特导读】连接器是多板系统中发送器和接收器之间的信号路径中的许多传输线元素之一。在讨论互连时,互连中的通孔在高频下的作用类似于电感器,如果设计不当,则会产生一些反射。但是,连接器的行为也非常类似于它们自己的短传输线。它们还具有自己的阻抗,可确定信号如何与连接器交互。

复杂系统中的电子设备也不总是都处在一块板上,而是需要一些连接器进行。从概念上讲,这可实现多板之间互连,但是设计不当的多板互连会导致一些连接器出现回波损耗和插入损耗。

连接器回波损耗与插入损耗

连接器是多板系统中发送器和接收器之间的信号路径中的许多传输线元素之一。在讨论互连时,大多数设计人员倾向于将通孔作为电感性阻抗不连续点。换句话说,互连中的通孔在高频下的作用类似于电感器,如果设计不当,则会产生一些反射。但是,连接器的行为也非常类似于它们自己的短传输线。它们还具有自己的阻抗,可确定信号如何与连接器交互。

连接器

图1.与高速或高频信号一起使用时,这些连接器会产生一些回波损耗和插入损耗。

尽管我们希望连接器是完美的,但事实仍然是,当放置在互连中时,它们会产生一些回波和插入损耗。导致连接器回波损耗和插入损耗的主要机制是由连接器上的表面安装焊盘引起的阻抗不匹配。通孔连接器还会产生一些插入损耗,因为这些引脚的作用就像是电感性/电容性阻抗不连续。

一旦信号到达具有更宽铜线的SMD连接器焊盘,走线此段中的每长度电容就会更大,这会降低在连接器焊盘上走线的特性阻抗。这种电容性阻抗不连续会引起信号反射,并导致连接器回波损耗和插入损耗。

消除此问题的一种方法是在连接器下方(即在第三层中)使用第二个小的接地层。在信号层下方的接地层中放置一个与连接器焊盘尺寸相同的切口,以强制走线参考第三层中的接地层。这样可以增加电容并有助于减少电容性阻抗的不连续性,从而减少连接器的回波损耗

连接器

图2.PCB连接器中的切口区域可减少连接器的回波损耗和插入损耗

仅使用正确的切口尺寸将使走线和连接器之间的阻抗不匹配降至最小。除了这种简单的设计选择之外,您可能还需要为连接器设计一个阻抗匹配网络。一个示例是在MII / RMII布线中使用磁性元件端接RJ45连接器。

在高频率/数据速率(即高速背板中使用的14 GHz时钟速率)下,互连中还有其他损耗源,包括集肤效应和编织效应损耗。这种高速互连中由于粗糙度引起的损耗是连接器和电缆经常用于高速网络设备中的原因之一。

通孔连接器的其他信号完整性问题

通孔连接器的行为类似于通孔,并且可以在某些频率下产生谐振。通孔连接器上的插针将具有一组共振频率,信号处的电磁场可以在该共振频率处形成驻波,该驻波会强烈辐射。下面的等式显示了沿销轴的近似谐振频率:

连接器

图3.通孔连接器上引脚的谐振频率

请注意,即使连接器阻抗可匹配其互连,但也会在这些频率下发生谐振。如果连接器的阻抗不匹配,则仍然会发生谐振,并且这些频率会略有不同;频率将移至较低值,并且将以最低次谐波的倍数出现。

尽管确定这些频率的先验方程更难评估,但沿径向也会发生共振。这些径向共振频率彼此之间不存在整数或有理数倍数的相关关系。取而代之的是,它们是通过求解沿销壁上包含圆柱Bessel和Hankel函数的超越方程来确定的。要获得最低阶的径向共振频率的粗略估计,只需将最低阶的轴向频率(从上述方程式得出)乘以连接器引脚的长宽比即可。

请注意,通孔连接器中的多个引脚也像一组串联的电容器一样起作用。由于插针之间的距离较短,并且它们的圆柱几何形状、插针之间存在强电容性和电感性耦合。引脚的电容特性将在较高频率下占主导地位,从而导致引脚之间的串扰强烈。

即使在阻抗匹配的连接器中,谐振和耦合的问题也是为什么表面安装连接器在高频下更可取的原因之一。引脚之间的耦合是为什么在高速或高频连接器上的引脚布置应在信号引脚之间设置返回路径的原因之一。高速串行信号引脚布置也可用于防止耦合,因为它模仿了差分信号传输,其中每个反相/同相信号对都被接地引脚隔开。

连接器

图4.高速串行信号对的通孔引脚布置示例

将连接器添加到电路需要正确的机械CAD工具,但是可以使用正确的PCB设计和分析软件包来分析连接器的回波损耗和插入损耗。Allegro PCB Designer和Cadence的全套分析工具可以通过电路中的连接器轻松执行重要的信号完整性仿真,从而全面了解其行为。

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