淺析連接器設(shè)計(jì)中的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲

　　在高速電路設(shè)計(jì)中，中國(guó)設(shè)計(jì)工程師通常不是特別了解連接器的互感特性在改進(jìn)信號(hào)完整性設(shè)計(jì)中的作用，本文將探討連接器設(shè)計(jì)和選擇中最難解決的問(wèn)題：并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲，并且揭示并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)高性能系統(tǒng)中使用的連接器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。

　　人們總是認(rèn)為系統(tǒng)中所有的工作都是由IC來(lái)完成的，當(dāng)然也包括相應(yīng)的軟件。而類似于IC封裝、電路板、連接器、電纜以及其它的離散元器件等無(wú)源器件只會(huì)降低系統(tǒng)性能，擴(kuò)大系統(tǒng)尺寸和增加系統(tǒng)成本。所以，系統(tǒng)中互連以及元器件的選擇和設(shè)計(jì)實(shí)際上就是將這些成分對(duì)系統(tǒng)造成的影響降到最低。因此大多數(shù)的IC 設(shè)計(jì)師通常將系統(tǒng)中不連接的所有部分（這通常是PCB設(shè)計(jì)師所涉及的內(nèi)容）歸結(jié)為寄生成分這樣一個(gè)籠統(tǒng)的范疇。

　　圖1：四種最主要的高速電路問(wèn)題

　　選擇IC器件時(shí)，除了選擇合適的元器件以外，后續(xù)的電路板布局布線工作還要符合下列設(shè)計(jì)規(guī)則：

　　1. 受控阻抗的PCB線；

　　2.分支線上的信號(hào)延時(shí)小于最快信號(hào)上升時(shí)間的20%；

　　3. 不連續(xù)性時(shí)間延時(shí)小于最快信號(hào)上升時(shí)間的20%；

　　4.相鄰PCB線具有足夠的間距，確保信號(hào)串?dāng)_控制在可以接受的電平上；

　　5. 合理的PCB分層設(shè)計(jì)確保相鄰的電源和地平面層之間的介質(zhì)很薄；

　　6.每一個(gè)信號(hào)線下面都有連續(xù)的信號(hào)返回路徑。

　　即便PCB的布局布線做得非常好，事情仍然沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。高性能系統(tǒng)中的每一個(gè)成分都需要優(yōu)化，確保符合整個(gè)系統(tǒng)在成本、性能和開(kāi)發(fā)進(jìn)度等方面的要求。高性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的鏈，每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須符合要求，方能保證整個(gè)系統(tǒng)符合產(chǎn)品性能規(guī)范。

　　系統(tǒng)中的其它因素將如何影響系統(tǒng)性能？可能的問(wèn)題通常可以歸結(jié)為兩種類型：時(shí)序問(wèn)題和噪聲問(wèn)題。信號(hào)完整性既包括時(shí)序問(wèn)題也包括噪聲問(wèn)題，然而噪聲問(wèn)題更顯突出。

　　圖1所示為互連和元器件導(dǎo)致的信號(hào)完整性問(wèn)題的四種類型：

　　1. 單根網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量；

　　2. 兩根或者更多網(wǎng)絡(luò)之間的信號(hào)串?dāng)_；

　　3. 電源分布系統(tǒng)中的噪聲；

　　4. 系統(tǒng)中元器件對(duì)外的電磁輻射。

　　除非特別關(guān)注，并且項(xiàng)目一開(kāi)始就著手考慮了這些問(wèn)題，否則上述四種類型的問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)在高速產(chǎn)品中。本文將探討連接器（也包括IC封裝）的設(shè)計(jì)和選擇中最難解決的問(wèn)題：并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲（simultaneously switchingnoise），并且揭示并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)高性能系統(tǒng)中使用的連接器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲

　　對(duì)連接器和IC封裝來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)噪聲方面的高速性能要求是最難滿足的。開(kāi)關(guān)噪聲屬于信號(hào)串?dāng)_，主要是由于連接器和IC封裝中相鄰環(huán)路（由信號(hào)與返回路徑構(gòu)成）之間的互感導(dǎo)致的。要使開(kāi)關(guān)噪聲幅度最小，必須確保相鄰的信號(hào)路徑環(huán)路之間的互感小于一個(gè)允許的最大值。

　　圖2：測(cè)量BGA封裝中的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲。

　　當(dāng)信號(hào)通過(guò)連接器或者IC封裝傳播時(shí)，信號(hào)的波前（信號(hào)波形中跳變的成分）通過(guò)信號(hào)管腳構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)路，就會(huì)耦合并且返回到信號(hào)的返回管腳上。每一個(gè)信號(hào)和對(duì)應(yīng)的返回路徑都可以構(gòu)成一個(gè)相似的環(huán)路。在任何兩個(gè)信號(hào)及其返回路徑構(gòu)成的環(huán)路之間都存在一個(gè)環(huán)路互感。

　　一個(gè)環(huán)路中的電流發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在另外一個(gè)靜止（信號(hào)電流沒(méi)有變化）的環(huán)路中感應(yīng)出信號(hào)噪聲。而當(dāng)多個(gè)變化的信號(hào)線并發(fā)開(kāi)關(guān)時(shí)，通過(guò)互感耦合到靜止環(huán)路的噪聲就會(huì)互相累計(jì)，因此稱為“并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲”。圖2所示為五個(gè)數(shù)據(jù)線并發(fā)開(kāi)關(guān)時(shí)測(cè)量到的一個(gè)靜止信號(hào)線上的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲。在這個(gè)實(shí)例里，靜止信號(hào)線上的噪聲是由該靜止環(huán)路與所有五個(gè)變化的環(huán)路之間的互感而造成的。

　　互感的計(jì)算

　　采用簡(jiǎn)單的模型可以很方便地估算出兩個(gè)信號(hào)環(huán)路之間允許的最大互感值。進(jìn)一步討論如何計(jì)算實(shí)際連接器中相鄰環(huán)路之間的互感。

　　當(dāng)信號(hào)通過(guò)連接器的一個(gè)管腳對(duì)時(shí)，在變化的信號(hào)通路上，信號(hào)的波前處會(huì)出現(xiàn)信號(hào)電流的突然變化。變化的電流會(huì)導(dǎo)致電壓噪聲并且感應(yīng)到相鄰的靜止信號(hào)環(huán)路上，這種感應(yīng)是由于兩個(gè)環(huán)路之間存在的互感引起的。這種靜止信號(hào)線上感應(yīng)出來(lái)的噪聲稱之為開(kāi)關(guān)噪聲，這是由于這種噪聲只有當(dāng)電壓或者電流處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

　　在靜止環(huán)路中感應(yīng)出的電壓噪聲可以近似為：

　　表達(dá)式各項(xiàng)的意義為：Vn，靜止環(huán)路中的噪聲；Lab，變化環(huán)路和靜止環(huán)路之間的互感；△Ia，變化環(huán)路中的電流變化；Za，在變化環(huán)路與靜止環(huán)路的視在阻抗；Va，變化環(huán)路中的信號(hào)電壓；△t是信號(hào)的上升時(shí)間，表明電流開(kāi)關(guān)的快慢。

　　選擇連接器或者IC封裝唯一可以影響的就是環(huán)路之間的互感，而環(huán)路中信號(hào)視在阻抗通常都在50歐姆左右，該阻抗值與上升時(shí)間及信號(hào)電壓一樣都是系統(tǒng)規(guī)范的一部分。

　　允許的開(kāi)關(guān)噪聲幅度取決于噪聲分配。開(kāi)關(guān)噪聲通常應(yīng)該小于信號(hào)擺幅的5%到10%，當(dāng)然噪聲的分配也取決于工程師的設(shè)計(jì)技巧，以及由誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)選擇連接器或者IC封裝。優(yōu)秀的信號(hào)完整性工程師的談判代表非常清楚：要找到一個(gè)具有足夠低互感的連接器或封裝將是多么的困難，所以他會(huì)盡可能地爭(zhēng)取一個(gè)更寬松的互感指標(biāo)，這樣做的結(jié)果勢(shì)必導(dǎo)致系統(tǒng)中其它部分的規(guī)格更加嚴(yán)格。

　　首先可以使用如下的值來(lái)開(kāi)始這種估算：

　　首先可以使用如下的值來(lái)開(kāi)始這種估算：Vn/Va =5%，Za=50歐姆，t=0.5ns，由上述公式可計(jì)算出允許的最大互感值是1.2n

　　圖3：連接器管腳的三維實(shí)體模型

　　確定上述應(yīng)用假設(shè)條件后，就相當(dāng)于對(duì)連接器或封裝的信號(hào)路徑之間允許的互感值施加了約束條件。當(dāng)然，在時(shí)間、成本費(fèi)用以及產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)之間權(quán)衡并且實(shí)施資源分配之前，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該運(yùn)用更加完善而全面的系統(tǒng)級(jí)仿真來(lái)考察究竟多大的互感可以確保設(shè)計(jì)成功，并且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成過(guò)多的負(fù)擔(dān)。因此，上面的估算僅僅是一個(gè)最初的預(yù)期值

　　事實(shí)上，上述估算過(guò)高地估計(jì)了允許的互感值，這是因?yàn)榧僭O(shè)靜止信號(hào)線上的噪聲僅僅是由一根相鄰的變化信號(hào)路徑的信號(hào)變化造成的。實(shí)際的情況下，通常可能有多個(gè)信號(hào)路徑并發(fā)變化，其中每一個(gè)開(kāi)關(guān)的信號(hào)路徑都會(huì)對(duì)靜止信號(hào)線產(chǎn)生并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲。根據(jù)連接器的設(shè)計(jì)，信號(hào)管腳之間實(shí)際允許的互感值通常只有上面估算值的一半到五分之一左右。

　　連接器管腳對(duì)之間或封裝引線對(duì)之間的互感值為1.2nH是不是太大？我們來(lái)看一個(gè)具體的實(shí)例，就會(huì)發(fā)現(xiàn)1.2nH實(shí)際上是一個(gè)很小的值，而對(duì)于實(shí)際的連接器或封裝需要做許多艱苦的工作才有可能減小該數(shù)值。

　　提取連接器的環(huán)路互感

　　在普通2mm間距的連接器模塊，這種連接器典型的管腳長(zhǎng)度大約是25mm左右。如圖3所示，評(píng)估互感的值，可以將連接器實(shí)際的物理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為保留導(dǎo)體所有幾何特性的三維實(shí)體模型。

　　采用三維場(chǎng)提取工具從導(dǎo)體的實(shí)體模型中提取出局部的電感矩陣。有關(guān)連接器電感特性方面的問(wèn)題都包含在這一個(gè)電感矩陣中。矩陣對(duì)角線上的元素是其局部自感，而不在對(duì)角線上的元素則是每管腳對(duì)之間的局部互感。

　　20個(gè)管腳的連接器的完整電感矩陣如圖4所示。局部電感的概念在分析連接器和IC封裝的電氣性能方面非常有效。一個(gè)信號(hào)與另一個(gè)相鄰的信號(hào)之間共用同一個(gè)返回路徑的情況很常見(jiàn)。管腳對(duì)1和2是變化的環(huán)路（信號(hào)會(huì)發(fā)生跳變），而管腳對(duì)2和3則是靜止的環(huán)路（信號(hào)不發(fā)生變化）。

　　這兩個(gè)路徑之間的互感為：LAB=（L31-L32）+（L22- L21）-L22

　　圖4：連接器中的所有20個(gè)管腳的局部互感矩陣。

　　從場(chǎng)提取工具產(chǎn)生的表格中，可以找到該連接器的下述電感值：

　　L31=7.9nH

　　L32=10.9nH

　　L21=10.9nH

　　L22=19.9nH

　　L41=6.3nH

　　L42=7.9nH

　　根據(jù)上述數(shù)值可以計(jì)算出互感值是6nH。這就是共用同一個(gè)返回路徑的兩個(gè)信號(hào)路徑之間的互感值。與最初估算的1.2nH相比，6nH太大。如果應(yīng)用在這樣的設(shè)計(jì)環(huán)境下，可以肯定該連接器不能正常工作。

　　當(dāng)然，如果有足夠的理由確實(shí)要在設(shè)計(jì)中運(yùn)用這種連接器，一種辦法是確保每一個(gè)信號(hào)都有各自獨(dú)立的返回路徑。在這種情況下，一個(gè)環(huán)路使用管腳1和2，而另一個(gè)環(huán)路則使用管腳3和4。兩個(gè)環(huán)路之間的互感如下計(jì)算：LAB =（L31-L32）+（L42-L41）

　　這樣計(jì)算出來(lái)的互感值是1.4nH?？梢?jiàn)僅僅通過(guò)為每一個(gè)信號(hào)提供各自獨(dú)立的信號(hào)返回路徑，就可以將開(kāi)關(guān)噪聲減少四倍。考慮到其它信號(hào)路徑信號(hào)同時(shí)變化的可能性，可以看到即便是1.4nH這么小的值仍然會(huì)產(chǎn)生3到5倍這么大的開(kāi)關(guān)噪聲。

　　現(xiàn)在已經(jīng)非常清楚，對(duì)高速設(shè)計(jì)而言，常規(guī)的連接器按照常規(guī)的用法顯然不能滿足要求。任何可能降低管腳對(duì)之間互感的可行方法都應(yīng)該考慮。

　　減小互感

　　原則上可以采取兩種方法來(lái)減少連接器的互感。

　　1. 要確保盡可能短的路徑。Packard-Hughes公司的Gold Dot連接器、Thomas和Betts公司的Metal Particle Interconnect（MPI）連接器就是采用了這種關(guān)鍵技術(shù)。而Tessera公司推出的CSP器件封裝的一個(gè)重要特征就是具有非常短的引線長(zhǎng)度。

　　在這些技術(shù)中總的引線長(zhǎng)度可以縮短到1mm。僅僅引線長(zhǎng)度一項(xiàng)就可以將上面實(shí)例中相鄰信號(hào)和返回路徑環(huán)路之間的互感減小為上述電感數(shù)值的二十分之一。

　　2. 要降低每一個(gè)信號(hào)與對(duì)應(yīng)的返回路徑的特征阻抗。環(huán)路之間的互感與最小環(huán)路的自感成比例，減小一個(gè)管腳對(duì)的環(huán)路自感就等于是降低信號(hào)通路的特征阻抗。

　　SamTec公司的連接器就采用了這樣的技術(shù)，這種連接器采用又寬又短的引線作為返回路徑。因此，器件封裝向采用內(nèi)部返回路徑層的BGA封裝轉(zhuǎn)移，或者從單層金屬的TBGA向雙層金屬的TBGA封裝轉(zhuǎn)移。

　　從上面的實(shí)例中可以看出，信號(hào)和返回路徑管腳的分配同樣也能影響最終的信號(hào)路徑之間的互感。對(duì)于一個(gè)確定的連接器來(lái)說(shuō)，管腳的選擇可以用來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的性能。然而如果具備足夠的管腳做更加靈活的信號(hào)和返回路徑分配，那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師通?？倳?huì)選擇分配更多的信號(hào)管腳。

　　對(duì)連接器廠商提供參數(shù)的評(píng)估

　　假定已經(jīng)對(duì)電路板設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并且已經(jīng)估算出相鄰信號(hào)環(huán)路之間允許的最大互感值，那么，要告訴元器件廠商：所需要的連接器必須保證相鄰信號(hào)環(huán)路之間的互感值小于1nH。

　　連接器廠商和IC封裝廠商通常都在機(jī)械工程和生產(chǎn)制造方面非常精深，但不是特別了解有關(guān)的電氣特性，甚至可能并不知道他們應(yīng)該提供連接器的互感特征。有的時(shí)候，這些器件廠商也提供管腳對(duì)之間的串?dāng)_電壓信息。正如前面所看到的那樣，這些值跟信號(hào)的上升時(shí)間、阻抗以及信號(hào)和返回路徑對(duì)的分配都有很大關(guān)系。如果廠商給出特殊情況下的值與你的具體應(yīng)用要求不一樣的話，該如何評(píng)估這些值？

　　用戶總是主動(dòng)去獲取所需要的精確信息，即信號(hào)與返回路徑環(huán)路之間的互感。而且應(yīng)該向元器件廠商明確提出這是非常重要的一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，如果元器件廠商不提供這些信息的話，你就不能夠評(píng)估廠商提供的元器件能否在你的設(shè)計(jì)應(yīng)用中正常工作？

　　如果廠商提供了這些指標(biāo)，也可以進(jìn)一步地查明廠商是如何獲得這些參數(shù)的：是通過(guò)測(cè)量還是通過(guò)計(jì)算？如果是通過(guò)測(cè)量方法獲得的話，廠商是否采用了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量流程？如果是通過(guò)計(jì)算獲得的，這些值的獲得是否是一種近似（就如同所有的計(jì)算公式一樣）？它是否通過(guò)場(chǎng)提取方法獲得？廠商是否提供任何的支持文檔資料來(lái)證實(shí)他們的建模過(guò)程符合實(shí)際的情況并且同生產(chǎn)制造的元器件性能相吻合？如果廠商不能提供這些信息，應(yīng)該建議該廠商采用獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室服務(wù)或者是顧問(wèn)服務(wù)來(lái)幫助他們提供這些信息。

　　在最后的分析中，要選擇那些不僅能夠提供符合你設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)，同時(shí)也能夠給你信心保證在你的系統(tǒng)中可以一次性成功的連接器廠商。產(chǎn)品合格與資料齊全、準(zhǔn)確詳實(shí)同樣重要。