高速數(shù)字設(shè)計(jì)第九章連接器

第九章連接器 共模電感（MUTUALINDUCTANCE--HOWCONNECTORS 地平面如何改變會(huì)流路徑（HowGroundsAltertheReturn-Current 串聯(lián)電感——連接器產(chǎn)生電磁干擾（EMI）的主要原因 寄生電容--多負(fù)載總線上的連接器 CAPACITANCE--CONNECTORSONAMULTIDROP 管腳到管腳的電容（Pin-to-Pin 電路布線電容(CircuitTrace 接受器和驅(qū)動(dòng)器的電容(CapacitanceofReceiversand 分布均勻的負(fù)載(Evenly-Spaced 慢速總線(VerySlow 連接器的耦合測(cè)量(MEASURINGCOUPLINGINA 接地和信號(hào)管腳(GroundandSignal 脈沖發(fā)生器和源端阻抗(PulseGeneratorandSource 發(fā)送線的終端阻抗(TerminatingImpedanceontheTransmitting 模擬接收線的源端阻抗(SimulatedSourceImpendanceofReceiving 匹配電阻(Matching 外部連接中如何滿足EMI問(wèn)題(FIXINGEMIPROBLEMSWITHEXTERNAL 濾波 常規(guī)阻塞(CommonMode 用于高速信號(hào)的特殊連接器(SPECIALCONNECTORSFORHIGH-SPEED AMPZ-Pack點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接器（AMPZ-PackPoint-to-Point Augat點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接器(AugatPoint-to-Point dyne多負(fù)載總線連接器(dyneMultidropBus 經(jīng)過(guò)連接器的差分信號(hào)(DIFFERENTIALSIGNALINGTHROUGH 第九章連接器：本章就連接器對(duì)系統(tǒng)所造成的問(wèn)題和MI問(wèn)題進(jìn)行了原理性分析和理論計(jì)算，對(duì)我們所應(yīng)關(guān)注的連接器的三個(gè)主要參數(shù)：共模電感、串聯(lián)電感和寄生電容的產(chǎn)生機(jī)制和影響進(jìn)行了深入的討論。并就高速應(yīng)用、多負(fù)載總線應(yīng)用、差分信號(hào)應(yīng)用、背板應(yīng)用等各種應(yīng)用場(chǎng)合的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。最后，還討論了一些新型的連接器。信號(hào)速度越快，選用連接器就越。原因是多方面的。首先價(jià)格方面，常用的幾十共模電感（MUTUALINDUCTANCE--HOWCONNECTORS圖9.、、。從邏輯門(mén)出的電流將通過(guò)返回。由于、、有交迭，的磁場(chǎng)會(huì)給、信號(hào)帶來(lái)噪聲電壓。在上的噪聲會(huì)比上的噪聲大，因?yàn)榕c的交迭面積更大。即使沒(méi)有交迭，兩個(gè)相鄰的電流回路也會(huì)相互影響，產(chǎn)生共模電感噪聲。圖9.1連接器的管腳之間還存在寄生電容，在數(shù)字電路里它會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_，不過(guò)影響比共模電感小一些。有的連接器表現(xiàn)為容性，有的表現(xiàn)為感性。9先討論電感。串?dāng)_評(píng)估（Estimating響，如X和Y。是沿地線返回的信號(hào)電流。因此共模電感的由兩項(xiàng)組成如下：（其中第二項(xiàng)大于第一項(xiàng)）a=X信號(hào)到Y(jié)信號(hào)的距離（bY信號(hào)到地線的距離（c=X信號(hào)到地線的距離（in.）D=連接器管腳的直徑（單位in.）H=連接器管腳長(zhǎng)度（LX,Y=回路X和Y之間的共模電感（考干擾對(duì)性能的影響。如果系統(tǒng)中的連接器性能可能影響系統(tǒng)性能，不妨找接器并測(cè)一下下一步我們需要最大的dI/dt值，可以用等式2.41或2.42來(lái)估計(jì)DI/dt圖9.2圖9.3地平面如何改變會(huì)流路徑（HowGroundsAltertheReturn-Current下面的連接器特性的四個(gè)規(guī)則，其實(shí)已包含在等式9.線緊密地耦合回路X和Y，使流過(guò)地線的電流在回路Y上產(chǎn)生一個(gè)大的沖擊。如果地線電流一半。共模電感Lx,y將因此而下降。加上的地線將進(jìn)一步細(xì)分接地電流但并不一定分成原來(lái)的圖9.4（1+N2））。如等式9.4所示圖9.5

本節(jié)要點(diǎn)INDUCTANCE--HOWCONNECTORSCREATEEMI）EMI來(lái)自最大回路的電流信號(hào)的對(duì)外發(fā)只有很小的回流信號(hào)電流通過(guò)其他路徑返回A板卡。它不會(huì)影響最終的EMI大回路的高頻電流將輻射大量的電磁能量以致不能通過(guò)FCC-或VDE-的輻射強(qiáng)度試。EMI設(shè)計(jì)最大的是要使所有信號(hào)回路交叉部分盡可能的小。例如，在地線層流過(guò)的高頻電圍成一個(gè)面積0.06in.2的閉環(huán)區(qū)域。這樣一個(gè)閉環(huán)區(qū)域?qū)MI來(lái)講通常是可以接受的。圖9.6中，當(dāng)在回流通的任何中斷或不連續(xù)，如在連接器接地管腳上的轉(zhuǎn)換，都會(huì)在電流回產(chǎn)G1標(biāo)識(shí)這個(gè)突起。64-bit總線信號(hào)路徑的絕大多數(shù)回路阻抗是由G1回路阻抗產(chǎn)生的圖9.664-bit例如，圖9.7中假設(shè)板卡A和C共用兩個(gè)連接器。另外接器稱為D并離開(kāi)連接B一些距離。信號(hào)返回電流的一部分可以通過(guò)連接器D上的接地線流回A，如圖9.7中的G2圖9.7通過(guò)連接器D量，過(guò)100uV/m。關(guān)于EMC的規(guī)則和設(shè)計(jì)技術(shù)請(qǐng)參考相關(guān)資料。測(cè)量數(shù)字產(chǎn)品的精確的輻射電平是很的，因?yàn)樵S多因素會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。等式9.足C或的30M以上的輻射限制的條件下表示了在開(kāi)放空間里的峰值電流、上升時(shí)間和閉環(huán)區(qū)域限制的關(guān)系。E=電磁輻射強(qiáng)度（V/m，3米遠(yuǎn)A=輻射回路區(qū)域Ip峰值電流T10-90=信號(hào)上升時(shí)間Fclock=時(shí)鐘頻率他的100根也能滿足嗎？在你的設(shè)計(jì)之前建立一個(gè)仿真系統(tǒng)，模仿一些通過(guò)連接器的時(shí)鐘走線。這聽(tīng)起來(lái)似乎很浪費(fèi)，但它卻能在后面的工作約大量的成本。機(jī)械封裝和防護(hù)在成本上例9.1：連接器的輻射圖9.8表示了以典型的16-bit總線。我們可以一步一步的計(jì)算回路G1和G2的電感，和G1G2的輻射回路G1的電r0.025/2（管腳半徑，in.；注意我們用的是h/r代替2h/d）w1=0.2（信號(hào)與地的距離，in.）h=0.4（連接器管腳長(zhǎng)度，in.1/2=地線對(duì)兩側(cè)信號(hào)的計(jì)算因子（詳見(jiàn)9.1節(jié)的規(guī)則G2回路的電感r=0.025/2（管腳半徑w2=6.0（信號(hào)與連接器D的距離，in.）h=0.4（連接器管腳長(zhǎng)度，in.）利用等式9.5可以得到回路Y的峰值電A=0.08（管腳長(zhǎng)度0.4in.乘上信號(hào)與地的距離0.2in.；in.2）IG1=0.037（峰值電流，A）T10-905X10(-9)（信號(hào)上升時(shí)間，s）Fclock=10(8)Hz因此，這個(gè)連接器并不能滿足要求。現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)分析一下連接器D（圖A=2.4（管腳長(zhǎng)度0.4-in.乘上信號(hào)與地的距離6-IG1=0.0015（T10-905X10(-9)（信號(hào)上升時(shí)間，s）Fclock=10(8)Hz一根信號(hào)線的輻射是94uV。16根信號(hào)線的圖9.8返回電流轉(zhuǎn)移示例規(guī)則3：將所有的母卡連接器集中在A卡上可以分離或搬移遠(yuǎn)端返本節(jié)要點(diǎn)EMI是由大回路的信號(hào)電生的CAPACITANCE--USINGCONNECTORSONAMULTIDROPBUS）、連接器管腳到管腳的電容和連接器與PCB圖9.9管腳到管腳的電容（Pin-to- 有的連接器管腳之間的距離是比較大的，有的管腳甚至是交叉排列的。這樣可以減小電容。還可以在板上焊接層的焊盤(pán)之間留下的空間，有利于加工。對(duì)0.05in.器來(lái)說(shuō)，交叉排列越來(lái)越重要。電路布線電容(CircuitTraceTd=布線延遲（ps/in.，詳見(jiàn)1.3節(jié)Z0=布線阻抗（歐，詳見(jiàn)4.5節(jié)C=電容接受器和驅(qū)動(dòng)器的電容(CapacitanceofReceiversand許多供應(yīng)商在其里標(biāo)明了高速接受器的電容。如果沒(méi)有表明，可使用圖1進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量。測(cè)量時(shí)，調(diào)整脈沖發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生脈沖，要求脈沖電壓為接受器有效工作電壓的中間值，并且脈沖的高度接近使用中的真實(shí)情況。給接受器通上電即可進(jìn)量。測(cè)量結(jié)果典型值為2-10p。進(jìn)量。打開(kāi)傳輸門(mén)電路的電源，但關(guān)閉其輸出使能。使脈沖電平處于門(mén)電路的有效區(qū)，高于示例9.2分布均勻的負(fù)載(Evenly- 慢速總線(VerySlow如果你沒(méi)有高速的要求，可以考慮源端終止的多負(fù)載總線。這種情況下可以省略圖9.線兩端的電阻。通過(guò)一個(gè)串行阻尼電阻就可以將三態(tài)信號(hào)源連接到總線上。接受器也可以直接連接到總線上。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)好處是在背板上不再需要終端匹配元件。如果驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間比總線的建立時(shí)間（Electricallengthofthebus）長(zhǎng)，總線可當(dāng)作簡(jiǎn)單地、單調(diào)導(dǎo)總線。低EMI——減小通過(guò)連接器的本節(jié)要點(diǎn)連接器的耦合測(cè)量(MEASURINGCOUPLINGINA接地和信號(hào)管腳(GroundandSignal圖9.10脈沖發(fā)生器和源端阻抗(PulseGeneratorandSource9.51發(fā)送線的終端阻抗(TerminatingImpedanceontheTransmitting模擬接收線的源端阻抗(SimulatedSourceImpendanceofReceiving匹配電阻(MatchingZ0=最終電路的匹配阻抗（歐R5=匹配電阻（歐R5=匹配電阻（歐G=探頭增益（B點(diǎn)實(shí)際電壓乘以1/G等于測(cè)量結(jié)果本節(jié)要點(diǎn)連接器布地的連續(xù)性(CONTINUITYOFGROUNDUNDERNEATHA圖9.11對(duì)這一問(wèn)題的一個(gè)解決辦法是把地線布在連接器每個(gè)管腳的周圍，見(jiàn)圖9.12圖9.12圖9.13本節(jié)要點(diǎn)外部連接中如何滿足EMI問(wèn)題(FIXINGEMIPROBLEMSWITHEXTERNALCONNECTIONS)濾波要設(shè)計(jì)模擬電路。的物理連接如圖9.14所示。通過(guò)在內(nèi)部導(dǎo)體的周圍提供續(xù)的金屬屏是十分小的。一個(gè)導(dǎo)電良好的、分布均勻的層可以任何輻射。圖9.14電纜上的信號(hào)環(huán)路的輻一種損耗線以幫助接地。這種損耗線緊密的連接在層上，它與內(nèi)部導(dǎo)體是同樣的規(guī)格，但沒(méi)層都被緊緊的夾在金屬外層的里面，不會(huì)有線露出來(lái)。金屬外層也應(yīng)當(dāng)連接一個(gè)寬而扁常規(guī)阻塞(CommonMode本節(jié)要點(diǎn)將電路板之間的高速數(shù)字信號(hào)在外，肯定不能通過(guò)FCC和VDE的EMI測(cè)試圖9.14中標(biāo)注為A的損耗線回路的輻射常常會(huì)高于FCC/VDE的規(guī)用于高速信號(hào)的特殊連接器(SPECIALCONNECTORSFORHIGH-SPEEDAPPLICATIONS)AMPZ-Pack點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接器（AMPZ-PackPoint-to-PointAMPZ-Pack帶狀連接器的交叉示意圖和如圖9.15所示。這種AMP連接器包括4行信圖9.15高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用中的AMPZ-Pack遲大150ps.Augat點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接器(AugatPoint-to-PointAugat制造了一種稱為電氣無(wú)形互連（electronicallyinvisibleinterconnect,EII）的連接器。dyne多負(fù)載總線連接器 dyneMultidropBus以出現(xiàn)在信號(hào)管腳行的任何一側(cè)，類似于AMPZ-Pack連接器。圖9.16dyne多負(fù)載總線連接本節(jié)要點(diǎn)對(duì)高速信號(hào)來(lái)說(shuō)，干擾和EMI控制要求使用一些特殊經(jīng)過(guò)連接器的差分信號(hào)(DIFFERENTIALSIGNALINGTHROUGHACONNECTOR)

Commonmodecurrent。對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)良好的差分驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，Commo