淺析高速連接器阻抗優(yōu)化

王 超，鐘茂萍，江 濤

(四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621001)

1 引言

隨著5G技術(shù)的日益發(fā)展，通訊設(shè)備不斷升級(jí)換代，信號(hào)傳輸速率不斷上升，系統(tǒng)鏈路信號(hào)完整性要求進(jìn)一步提高。高速連接器作為系統(tǒng)鏈路至關(guān)重要的一環(huán)，連接器的性能要求也是越來越嚴(yán)苛，作為連接器廠商，如何保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工性能是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

對(duì)于高速連接器來說，跑高速的信號(hào)基本都是差分信號(hào)，由于連接器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著信號(hào)上升時(shí)間的不斷減小，阻抗匹配難度也越來越大，本文通過解析差分阻抗原理，介紹了差分阻抗優(yōu)化較常用的優(yōu)化手段。

2 差分線的阻抗[1]

常用的信號(hào)傳輸分為單端信號(hào)和差分信號(hào)，差分信號(hào)由兩根單端信號(hào)構(gòu)成，發(fā)射器傳輸差分信號(hào)時(shí)，會(huì)將單端信號(hào)拆分成兩個(gè)信號(hào)幅值相等相位相反的兩個(gè)信號(hào)，再由接收器識(shí)別轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)。簡(jiǎn)單來說，接收器會(huì)將兩個(gè)單端信號(hào)做一個(gè)減法，得到的信號(hào)幅值將是單個(gè)信號(hào)的兩倍；差分信號(hào)由于抗干擾能力強(qiáng)，在高速信號(hào)傳輸中被廣泛應(yīng)用。

從理論上來說，任何兩根走線都可以構(gòu)成差分對(duì)，可實(shí)際上，我們?cè)O(shè)計(jì)中的差分信號(hào)都會(huì)符合對(duì)稱原則，這個(gè)對(duì)稱包含以下幾個(gè)條件：

1) 兩根線具有相同并且恒定的阻抗，保證兩根線上的反射盡量小，在減少因反射造成的信號(hào)失真的同時(shí)，也盡量避免因兩根線反射不同，導(dǎo)致多余共模分量出現(xiàn)的情況。

2) 兩根線的線寬，以及走線之間的間距、介質(zhì)等保持恒定。

3) 兩根線的線長(zhǎng)與延時(shí)相同，延時(shí)不同會(huì)導(dǎo)致共模信號(hào)的增加，使信號(hào)變差。

為了簡(jiǎn)化問題，我們假定差分線符合上述條件，并且兩根線之間沒有耦合，這時(shí)，電路中電壓與電流如圖1所示。

圖1 差分信號(hào)

對(duì)于差分信號(hào)來說，可以認(rèn)為構(gòu)成差分線的兩根單線上的電壓幅度相等，且互為相反數(shù)，電流大小相等，方向相反。差分信號(hào)電壓等于兩倍單端電壓，電流則像構(gòu)成了一個(gè)回路，其大小和單線電流大小相等，于是形成了下列公式：

Z0=U/I

Zdiff=Udiff/I=2U/I=2Z0

式中，Z0為單根傳輸線的特征阻抗；Zdiff為差分傳輸線的差分阻抗；U為信號(hào)線與返回路徑之間的電壓；I為流經(jīng)信號(hào)線與返回路徑之間的電流；Udiff為差分傳輸線的差分電壓。

可以看到，對(duì)于沒有耦合的差分線來說，其差分阻抗等于兩倍單線阻抗，也可理解為兩線單線阻抗的串聯(lián)。

對(duì)于共模信號(hào)，共模電壓與單線電壓相等，共模電流為單線電流的兩倍，所以有：

Z0=U/I

Zcomm=Ucomm/I=0.5U/I=0.5Z0

式中，Zcomm為差分傳輸線的共模阻抗；Ucomm為差分傳輸線的共模電壓。

所以，共模阻抗等于單線阻抗的一半，也可以理解為兩根單線阻抗的并聯(lián)。

但就實(shí)際情況而言，大部分差分線是存在耦合的，而我們使用相同的結(jié)構(gòu)后由于耦合因數(shù)，實(shí)際的差分阻抗會(huì)變小，如圖2所示為一高速連接器中的差分和單端仿真阻抗值。

圖2 典型差分線單端和差分阻抗

簡(jiǎn)而言之，差分阻抗的一半是小于單線阻抗的。

對(duì)于傳輸線來說，在信號(hào)傳輸過程中，每個(gè)單位長(zhǎng)度△X都會(huì)不斷產(chǎn)生小電容CL，所以傳輸線的電容大小是它們的乘積：

C=CL×△X

而電流大小就是單位時(shí)間內(nèi)加在每個(gè)電容上的電量，可得以下公式：

I=Q/△t=C×U/(△X/V)=CL△XVU/△X=CLVU

式中，I是信號(hào)電流大小(A)；Q是每個(gè)小電容電量(C)，△t是傳輸至兩個(gè)小電容之間所需時(shí)間(S)，C是每個(gè)小電容的容值(F)，U是信號(hào)的電壓(V)，△X是每個(gè)小電容長(zhǎng)度(M)，v是信號(hào)傳輸速度(m/s)；CL是單位長(zhǎng)度電容大小(F/m)。

Z0=U/I =U/CLVU=1/CLV

從公式中可知，阻抗與傳輸線單位電容成反比。

3 差分阻抗對(duì)信號(hào)完整性的影響

差分阻抗和上升時(shí)間強(qiáng)相關(guān)，上升時(shí)間越短，阻抗波動(dòng)越大，阻抗越難控制；上升時(shí)間和帶寬成反比，所以對(duì)于速率越高的產(chǎn)品，特別是目前流行的56G和112G產(chǎn)品，阻抗波動(dòng)會(huì)越大，匹配難度增加。

阻抗的波動(dòng)會(huì)直接影響回波損耗值，回波損耗代表信號(hào)的反射，波動(dòng)越大，反射越大，回波損耗越差；反射能量多了，接受到的能量就會(huì)變少，所以插損也會(huì)變差，如下為90歐姆的阻抗匹配值對(duì)應(yīng)的插損和回?fù)p值。

圖3 不同阻抗對(duì)應(yīng)的插損和回?fù)p值

從圖3不同阻抗對(duì)應(yīng)的插損和回?fù)p可以看出，1號(hào)線的阻抗在90歐姆左右波動(dòng)，明顯優(yōu)于2號(hào)線，插損和回?fù)p1號(hào)線也明顯比2號(hào)線好，所以阻抗匹配有利于減少反射，提升系統(tǒng)的損耗裕量。

4 影響差分阻抗的因素

4.1 導(dǎo)體橫截面積的變化

導(dǎo)體橫截面積增大會(huì)導(dǎo)致阻抗變低，相反阻抗變高；阻抗與導(dǎo)體橫截面積的變化類似于導(dǎo)體電阻，這是因?yàn)樽杩构局械碾娏髋c導(dǎo)體本身的電容成正比，導(dǎo)電橫截面積的增大，變相增大了導(dǎo)體電容，從而降低了阻抗。

如下圖4我們建立一個(gè)差分模型，在差分間距0.3mm和回流地間距0.2mm不變的情況下，改變線寬0.5mm大小，分別對(duì)比線寬0.4mm、0.5mm、0.6mm阻抗的變化值。

圖4 差分模型

阻抗仿真結(jié)果如下圖5：

圖5 不同線寬的阻抗

從仿真結(jié)果可知，只改變線寬大小，線寬越寬，阻抗越小，同理，改變走線厚度也是同樣道理，只要導(dǎo)體橫截面積發(fā)生變化，都會(huì)導(dǎo)致阻抗的變化；所以我們?cè)谶B接器調(diào)試阻抗時(shí)，經(jīng)常會(huì)嘗試去調(diào)整線寬改變阻抗，以達(dá)到我們的需求值。

4.2 信號(hào)線間距變化

當(dāng)信號(hào)線之間間距發(fā)生變化時(shí)，信號(hào)線之間的耦合也會(huì)發(fā)生變化，間距越小，耦合越強(qiáng)，則信號(hào)線感受到的電容越大，阻抗就會(huì)越低。所以減小信號(hào)線間距阻抗會(huì)變低，加大間距阻抗則會(huì)升高。

我們同樣使用圖4的仿真模型，在其他尺寸不變的情況下，改變間距0.3mm的數(shù)值，我們分別仿真間距0.2mm，0.3mm，0.4mm對(duì)比仿真結(jié)果，仿真結(jié)果如下圖6：

圖6 兩種不同的串?dāng)_模型

從仿真結(jié)果看出，線距越大阻抗越高，所以調(diào)整間距也是匹配阻抗的重要手段之一。

4.3 信號(hào)線與回流地的間距

我們經(jīng)?？吹?，高速信號(hào)都伴有回流地，回流地與信號(hào)線的間距對(duì)阻抗也有很明顯的影響，信號(hào)線與回流地也存在耦合，耦合越強(qiáng)，電容越大，阻抗越低。

我們同樣使用圖4的仿真模型，在其他尺寸不變的情況下，改變回流地間距0.2mm的數(shù)值，我們分別仿真間距0.15mm，0.2mm，0.25mm對(duì)比仿真結(jié)果，仿真結(jié)果如下圖7：

圖7 不同回流間距的阻抗

從仿真結(jié)果可以看出，回流間距對(duì)阻抗影響比較大，間距越小阻抗越低，在調(diào)整回流地間距時(shí)需要考慮信號(hào)線可加工性，一般信號(hào)線沖模對(duì)線寬有最小值要求，也需要考慮串?dāng)_等其他指標(biāo)的影響。

回流地的形式較多，圖4為PCB中廠家的微帶線，另外還有如下圖7中的帶狀線和射頻同軸類，回流地的方式不同對(duì)阻抗的影響也不同，回流地的完整對(duì)串?dāng)_的影響也較大。

圖8 廠家差分信號(hào)屏蔽種類

回流地的形式有很多種，連接器的回流路徑較復(fù)雜，高速連接器一段走線屏蔽經(jīng)常有多種組合形態(tài)，調(diào)整阻抗時(shí)需隨機(jī)應(yīng)變，但盡量做到屏蔽完整。

4.4 介質(zhì)DK值的影響

通常，連接器信號(hào)與信號(hào)之間都有絕緣介質(zhì)，其目的是固定信號(hào)與信號(hào)的位置隔離信號(hào)防止短路，介質(zhì)DK值會(huì)影響絕緣電阻及耐電壓，對(duì)阻抗也有很明顯的影響。

Dk反映的是絕緣體如何積蓄電能，從而使電子元件相互絕緣，并與地面絕緣。Dk是兩種材料電容值的比：一種作為介電物質(zhì)的電容與空氣或真空作為介電物質(zhì)的電容之比，空氣的DK值為1.0，是絕緣介質(zhì)中DK值最小的。而從前面阻抗公式中可知，阻抗與單位電容成反比，DK值越大，電容則越大，則阻抗就會(huì)越低。

如下圖9建立一仿真模型，在其他條件不變的情況下改變絕緣介質(zhì)的DK值，分別設(shè)置2.8，3.0，3.2，對(duì)比阻抗曲線。

圖9 仿真模型

仿真結(jié)果：

圖10 不同DK值阻抗仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，阻抗對(duì)DK值大小變化很敏感，DK越大阻抗越低，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中選擇合適的DK值也是非常重要；在類似微帶線結(jié)構(gòu)中，絕緣介質(zhì)厚度也會(huì)對(duì)阻抗產(chǎn)生明顯的影響，厚度影響也不是無限的，這是因?yàn)榻^緣介質(zhì)較薄時(shí)，信號(hào)線會(huì)同時(shí)感受的絕緣介質(zhì)和空氣的DK值，絕緣介質(zhì)和空氣DK混合后會(huì)導(dǎo)致信號(hào)感受到的DK值介于空氣與絕緣介質(zhì)之間，當(dāng)達(dá)到一定值后就不再影響阻抗了，所以調(diào)整絕緣厚度也是調(diào)整阻抗的重要手段。

5 常用的阻抗計(jì)算軟件

產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，當(dāng)大致結(jié)構(gòu)出來后，我們回去匹配信號(hào)線阻抗值，如果通過三維電磁場(chǎng)軟件仿真效率太慢，這時(shí)候我們可以借用一些2D軟件來計(jì)算阻抗值，比如SI9000、或者Allegro、Altium，HFSS自帶的計(jì)算模塊，我們以SI9000軟件計(jì)算為例，來匹配一段連接器走線阻抗值到90歐姆。

建立如下連接器中常見模型，模型中有信號(hào)端子埋在塑膠，也有暴露在空氣中部分，也有無屏蔽部分，如下分為三段：

對(duì)于初始結(jié)構(gòu)，我們假定信號(hào)料號(hào)0.15mm，屏蔽與信號(hào)0.25mm，信號(hào)上半部絕緣厚度0.55mm，絕緣介質(zhì)DK值3.0，我們利用SI9000進(jìn)行初步仿真，確定線寬、線距等。

圖11 仿真模型

先確定第一段，如下：

圖12 第一段計(jì)算值

從仿真中可確定第一段線寬為0.21mm，線距0.3mm。

第二段計(jì)算值如下：

圖13 第二段計(jì)算值

從仿真中可確定第二段線寬為0.6mm，線距0.16mm。

第三段計(jì)算值如下：

圖14 第三段計(jì)算值

從仿真中可確定第三段線寬為2.2mm，線距0.15mm。

按照計(jì)算的數(shù)值結(jié)果，我們更新3D模型，如下：

圖15 更新后仿真模型

圖16 匹配后仿真結(jié)果

當(dāng)然更新后第三段線寬比較夸張，我們實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要給第三段匹配回流地，避免出現(xiàn)回流地缺失，而且回流地缺失也會(huì)引起串?dāng)_的問題；我們將整個(gè)模型帶入HFSS中進(jìn)行仿真，看整段阻抗匹配結(jié)果是否一致：

從仿真結(jié)果可以看出，匹配阻抗最低在83歐姆左右，與實(shí)際要求90歐姆有7歐姆偏差，偏差也不是很大，軟件只是初步計(jì)算，我們需要根據(jù)三維電磁場(chǎng)軟件仿真結(jié)果微調(diào)線寬，這樣可以大大減小調(diào)試計(jì)算量。

所以，我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)盡量多使用2D仿真軟件計(jì)算走線阻抗值，有助于提高工作效率。

6 結(jié)束語

高速連接器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮的因素眾多，阻抗的不連續(xù)點(diǎn)非常多，對(duì)于信號(hào)完整性工程師來說，必須要識(shí)別影響阻抗的因素，好做出正確的調(diào)整；也需要多利用相關(guān)軟件仿真，達(dá)到快速匹配阻抗的目的。