解析高频电子连接器技术与趋势

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解析高频电子连接器技术与趋势

来自：连接中国　2006年7月23日16:42

      高頻電子連接器為所有用在電子訊號和電源上的連接元件及附屬配件，其主要功能為傳輸訊號，在整個電子系統中，為一典型的電子配件。近來它的演進與發展更是與電腦CUP關係密不可分，本文將介紹高頻電子連接器在業界的運用面、其信號傳輸方式及高頻傳輸特性的分析與趨勢。

      電子連接器（electrical connector）是泛指所有用在電子訊號與電源上的連接元件及附屬配件，廣義的連接器還包含插座、插頭及Cable組立等。從電子購裝的觀點上來看，連接器是互相連接（interconnection）部份可離合或是替換的元件，換言之是所有訊號間的橋樑，因此連接器的性質將會牽動整個電子系統的運作品質。

       電子連接器主要的功能為完整且正確的傳輸訊號，所以在整個電子系統中，電子連接器是一個典型的被動元件，它的發展與演進完全跟著電腦CPU，近年來由於CPU速度不斷提高，由早期的33MHz、66MHz，到Pentium III 500MHz至最近的Pentium 4 3.06GHz，連帶地提升主機板與電腦週邊的電子信號傳輸速度，因此擔任電子信號傳輸橋樑電子連接器的高頻電氣特性，便成為電子連接器廠商一個重要的議題。

      常見高頻連接器應用

      近幾年來由於多媒體影音的快速蓬勃發展，更突顯傳輸信號的重要性，以下介紹目前業界最常使用的高頻連接器應用，如(圖一)、(圖二)、(圖三)、(圖四)所示：

《圖一　USB與Mini-USB》

《圖二　IEEE-1394》

《圖三　DVI（Digital visual interface）》

《圖四　HDMI（High Definition Multimedia Interface）》

信號傳輸方式及高頻傳輸特性

要了解且進而去設計一個好的高頻電子連接器，就必須從信號的傳輸方式及高頻傳輸的特性著手起，信號的傳輸方式，可分為兩種：一為單端信號（single-ended），如(圖五)左圖所示；另一為差動信號（differential mode signal）如(圖五)右圖所示。

《圖五　單端信號與差動信號圖》

所謂的單端信號，即是在驅動器和接收器中，一個信號的傳輸僅需要一個導體（端子Pin）。差動信號的傳輸則是在驅動器和接收器中，需要兩個完全相同並且匹配的導體，在這兩個導體上所傳輸的信號為兩互補的信號，也就是大小相同（振幅相同）並且極性相反（相位差180度）的兩個信號。基於該分析可了解為何在高頻傳輸中會選用差動信號（differential mode signal）。以下針對這兩種傳輪輸方式的優缺點做一說明，如(表一)、(表二)所示。

(表一)　單端信號優缺點比較表單端信號（single Ended）

(表二)　差動信號優缺點比較表差動信號（differential mode signal）

由於電子連接器為一被動元件，它的主要功能為將信號完整的由IC傳至Device及傳回IC，而所謂信號完整定義為信號在電路中能以要求的時序和電壓做出響應的能力，也就是判斷數位訊號是0或是1。當電路中信號能以要求的時序、持續時間和電壓幅度到達IC，該電路就有很好的信號完整性；反之，就出現信號完整性的問題，IC就可能誤判或丟失部份數據。

在基本的電路學理論，只是電磁理論馬克斯威爾方程式的近似，也就是在特殊的狀況下才合理，主要是因為在電路學中，元件大小遠小於信號的波長，由於波長遠大於元件尺寸時，信號通過元件後電壓電流的相位差可以忽略不計，則此時的元件視為集總元件（lumped element），換句話說，當工作頻率在微波頻段中時，元件的尺寸與波長大小差不多，則信號通過元件後的電壓電流位差異很可能有大的差異，則此時的元件為散佈元件（distributed element）。

高頻影響電子連接器之探討

至於何種電子連接器必須考慮高頻的影響，以下為一般的推論，如(圖六)所示。由圖六中的推論可得若電子連機器長度大於mm，則必須視為散佈元件（distributed element），在此狀況下就要考慮高頻效應的影響。

《圖六　Length of the Rising Edge（L）（electrical Length）推論過程　》

＜圖註:狀況下就要考慮高頻效應的影響。實例說明:USB連接器長度約為33mm，USB 1.1最快傳輸速度為12Mbps，上升時間（rise Time）為20ns＞

高頻問題之探討

目前各種電腦及通訊設備日益輕、薄、短、小，電子連接器內部之端子與線路愈來愈細密，使得高頻的問題更加嚴重，如：匹配阻抗（impedance）、串音雜訊（cross talk）、傳遞延遲（propagation delay）、衰減（attenuation）、偏移（skew）及上升時間衰減（rise time degradation）等。

匹配阻抗（impedance）

電阻是所謂的集總元件（lumped element），是實數（real number）只會造成信號的衰減；而阻抗是針對分佈元件（distributed element）所定義的（傳輸線原理），為複數（complex number）也就是在高頻時因為相對應的波長短，已不再是之前波長遠大於元件尺寸，而是波長和元件尺寸差不多或是小於，於是就有阻抗的定義出現。

何謂較好的阻抗？好的阻抗即為阻抗匹配（impedance match），假若連接器所運用在的系統100ohm，此時若連接器設計到都是100ohm時，則是阻抗匹配，若不是100ohm時，就是所謂的阻抗不匹配，阻抗不匹配會形成何影響？

假若阻抗不匹配時，會造成信號傳輸到連接器時，因為連接器所做的阻抗不是100ohm（或是規範定義的值），造成信號呈現反射，形成信號的衰減；然而連接器主要的功能就是傳送信號，並保持信號的完整性，所以連接器造成信號的反射愈少愈好。

換言之，所謂阻抗匹配是讓信號傳輸的環境相同，這樣就不會有反射的出現，用甩繩子實驗當例子，若前端是細繩（假設低阻抗）後面接粗繩（假設高阻抗），甩動細繩時會有波浪，傳到粗繩時因為阻抗的不匹配（傳輸的環境改變），就會有反射的產生，而高速連接器的規範中所定義的阻抗值都有一個範圍，例如DVI其阻抗的定義範圍是在上升時間330ps下量測，其值必須為100正負15ohm之內，就符合規範定義的值，因為我們的端子結構較複雜，並不是均勻一致，有彎角和導刺或是寬度的改變，都會造成阻抗的不一致，所以規範都會定義阻抗值在一個範圍內。

串音雜訊（cross talk）

串音雜訊（cross talk）是由動態信號（或時變電壓電流）所產生的電磁波對鄰近的信號線造成的干擾，在高頻的時侯，此種現象將會更加嚴重，在兩信號線間的串音雜訊是依據其之間的互容和互感值。一般來說，在數位問題中電感機制所產生的串音雜訊問題會較電容機制所產生的嚴重許多，而串音雜訊又可分成遠端雜訊（又稱forward cross talk）和近端雜訊（backward cross talk）兩種形式，此兩種狀況皆會影響信號的完整性，使得信號接受端無法接受正確的信號，而可能導致IC的誤判。最常見的串音雜訊是在兩人通電話時，可無意間聽到他人聲音出現，這是最典型的串音雜訊。

傳遞延遲（propagation delay）

電子信號在導體內的傳遞速度是依據其週遭的環境來決定，在傳輸線中的傳遞速度

《公式一》

所需要的時間稱為傳遞延遲（propagation delay），因此傳遞延遲為波傳速度的倒數，因為傳遞速度和等效介電常數的平方根成反比，所以傳遞延遲和等效介電常數的平方根成正比，也就是等效介電常數愈大其傳遞延遲也愈長。

衰減（attenuation）

衰減是指平均功率（average power）的傳輸經由待測物（連接器）的輸入端到輸出端所產生的損失稱為衰減，通常是以dB值來測量，而通常會造成衰減的因素有下列幾項：

(1)導體的損失（copper Loss）：電阻所導致功率的損失，所以要減少電阻所造成的損失。

(2)反射損失（reflection loss）：傳輸路徑中不連續處的阻抗不匹配所造成的損失。

(3)介電損失（dielectric loss）：介電材料性質，由於介電質材料具有很大但不是無限大的電阻，因此會造成一些功率的損失，為頻率和傳輸距離的函數，頻率愈高或距離愈長介電損失愈嚴重。

(4)輻射損失（radiation loss）：在高頻的時侯有較多的電磁波能量輻射出去。

偏移（skew）

偏移是為了確保一對差動信號經過連接器一對端子後，可以保持能接受的差動不平衡，因為在設計連接器時，同一對差動信號的端子其長度要設計成等長，以避免偏移（skew）的產生，確保差動的平衡。

上升時間衰減（rise time degradation）

脈衝信號上升時間的衰減主要是因為沿著傳輸環境中不連續性所造成，諸如系統加入連接器、電纜，以及pads等，所以在設計連接器時，假若上升時間衰減比規範定義來的大，此時必須減少上升時間的衰減。

電氣訊號分析流程及結果

除了上述幾個重點外，還有一個值得探討的問題，那就是EMC的問題，在所有電器和電子設備工作時都會有間歇或連續性電壓電流變化，有時變化速率還相當快，這樣會導致在不同頻率內或一個頻帶間產生電磁能量，而相應的電路則會將這種能量發射到周圍的環境中。EMI有兩條途徑離開或進入一個電路：輻射和傳導。信號輻射是藉由外殼的縫、槽、開孔或其他缺口泄漏出去；而信號傳導則藉由耦合到電源、信號和控制線上離開外殼，在開放的空間中自由輻射，從而產生干擾。很多EMI抑制都採用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結合的方式來實現，大多數時侯下面這些簡單原則可以有助於實現EMI屏蔽：從源頭處降低干擾；藉由屏蔽過濾或接地將干擾產生電路隔離以及增強敏感電路的抗干擾能力等。

在根據上述的理論基礎設計出電子連接器後，為確保設計出的連接器能符合高頻特性的要求及縮短TRY AND ERROR的時間，有一項必須的工作－模擬分析；以下為電氣訊號分析之流程及結果：如(圖七)、圖(八)、圖(九)、圖(十)、圖(十一)、圖(十二)所示：

電氣訊號分析流程

《圖七　電氣訊號分析流程》

《圖八　建構3D模組　》

《圖九　獲得R、L、C等效電路》

阻抗及串音之分析結果

《圖十　阻抗（impedance）》

《圖十一　近端串音（Near end crosstalk）》

《圖十二　遠端串音（Far end crosstalk）》

＜註解:工程師可藉由分析的結果來做初步判斷，判斷目前所使用的材料、尺寸或外觀，是否能符合需求，藉由分析找出最佳化的設計。

資料來源:（資料來源：工研院）＞

      在工程師經過這一連串的設計、分析、確認並製造完成後，必須針對連接器做一連串的驗證，以了解以上電子連接器是否符合需求，在高頻的驗證部份為了將電子連接器與高頻測試儀器連接，必須設計與製作具有良好性質的測試板，一個好的測試板設計與準備，不僅是量測步驟的第一步，而且是高速量測中最重要的一環，通常此測試板是利用雙面印刷電路板（PCB）來製造，一般的PCB是具有一盎司的銅箔厚度，因此厚度約為1.37mil（或0.034mm），介電質材料為FR4，其介電係數約為4.5，利用具有這樣性質PCB來製造微帶線（microstrip line）形式的傳輸線作為測試板，並且控制此微帶線的特性阻抗值，以及針對連接器端子的配置來設計via holes和soldering pads，最後再焊上SMA接頭，以便接上時域反射儀做量測。

      未來因為電子連接器的頻率愈來愈高，因此作為測試治具測試板的設計與製作也需隨之進步。作為基材（substrate）所選用的材料、信號線的佈局與尺寸的設計，都必須要不斷的開發，目前作為高頻連接器的測試板皆朝向多層板的設計，以達到高頻特性需求。

      面對不同的連接器時，測試板必須依據連接器其結構與尺寸來設計，不同的連接器必須設計不同的測試板。

結語

      由於信號傳輸的頻率不斷地提高，相對地突顯出連接器製造商其機電整合能力的重要性，在以前低頻的時代，連接器製造商只要有機械背景的工程師便可開發出連接器，而今非但要有專業的機構工程做為基礎，同時再加上電子工程師配合才能做出符合Time to Market的電子連接器。

(编辑：admin)

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