中心議題：

• 並發開關噪聲
• 互感的計算
• 提取連接器的環路互感
• 減小互感
• 對連接器廠商提供參數的評估

在zai高gao速su電dian路lu設she計ji中zhong，中zhong國guo設she計ji工gong程cheng師shi通tong常chang不bu是shi特te別bie了le解jie連lian接jie器qi的de互hu感gan特te性xing在zai改gai進jin信xin號hao完wan整zheng性xing設she計ji中zhong的de作zuo用yong
，本ben文wen將jiang探tan討tao連lian接jie器qi設she計ji和he選xuan擇ze中zhong最zui難nan解jie決jue的de問wen題ti：並發開關噪聲
，並且揭示並發開關噪聲對高性能係統中使用的連接器和封裝規格指標的影響。

人們總是認為係統中所有的工作都是由IC來完成的
，當然也包括相應的軟件。而類似於IC封裝
、電路板、連接器、電dian纜lan以yi及ji其qi它ta的de離li散san元yuan器qi件jian等deng無wu源yuan器qi件jian隻zhi會hui降jiang低di係xi統tong性xing能neng，擴kuo大da係xi統tong尺chi寸cun和he增zeng加jia係xi統tong成cheng本ben。所suo以yi，係xi統tong中zhong互hu連lian以yi及ji元yuan器qi件jian的de選xuan擇ze和he設she計ji實shi際ji上shang就jiu是shi將jiang這zhe些xie成cheng分fen對dui係xi統tong造zao成cheng的de影ying響xiang降jiang到dao最zui低di。因yin此ci大da多duo數shu的deIC設計師通常將係統中不連接的所有部分(這通常是PCB設計師所涉及的內容)歸結為寄生成分這樣一個籠統的範疇

                                                      
                                                             圖1：四種最主要的高速電路問題

選擇IC器件時，除了選擇合適的元器件以外，後續的電路板布局布線工作還要符合下列設計規則：

1. 受控阻抗的PCB線

；
2.分支線上的信號延時小於最快信號上升時間的20%

；
3. 不連續性時間延時小於最快信號上升時間的20%

；
4.相鄰PCB線具有足夠的間距，確保信號串擾控製在可以接受的電平上
；
5. 合理的PCB分層設計確保相鄰的電源和地平麵層之間的介質很薄；
6.每一個信號線下麵都有連續的信號返回路徑。

即便PCB的布局布線做得非常好
，事情仍然沒有那麼簡單。高性能係統中的每一個成分都需要優化，確保符合整個係統在成本、性(xing)能(neng)和(he)開(kai)發(fa)進(jin)度(du)等(deng)方(fang)麵(mian)的(de)要(yao)求(qiu)。高(gao)性(xing)能(neng)的(de)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)是(shi)一(yi)個(ge)環(huan)環(huan)相(xiang)扣(kou)的(de)鏈(lian)，每(mei)一(yi)個(ge)環(huan)節(jie)都(dou)必(bi)須(xu)符(fu)合(he)要(yao)求(qiu)，方(fang)能(neng)保(bao)證(zheng)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)符(fu)合(he)產(chan)品(pin)性(xing)能(neng)規(gui)範(fan)。

係統中的其它因素將如何影響係統性能？可能的問題通常可以歸結為兩種類型：時序問題和噪聲問題。信號完整性既包括時序問題也包括噪聲問題，然而噪聲問題更顯突出。

圖1所示為互連和元器件導致的信號完整性問題的四種類型：

1. 單根網絡的信號質量
；
2. 兩根或者更多網絡之間的信號串擾；
3. 電源分布係統中的噪聲；
4. 係統中元器件對外的電磁輻射。

除非特別關注，並且項目一開始就著手考慮了這些問題，否則上述四種類型的問題就會出現在高速產品中。本文將探討連接器(也包括IC封裝)的設計和選擇中最難解決的問題：並發開關噪聲(simultaneously switchingnoise)
，並且揭示並發開關噪聲對高性能係統中使用的連接器和封裝規格指標的影響。

並發開關噪聲

對連接器和IC封裝來說，開關噪聲方麵的高速性能要求是最難滿足的。開關噪聲屬於信號串擾，主要是由於連接器和IC封裝中相鄰環路(由信號與返回路徑構成)之間的互感導致的。要使開關噪聲幅度最小，必須確保相鄰的信號路徑環路之間的互感小於一個允許的最大值。

                                                            
                                                                     圖2：測量BGA封裝中的並發開關噪聲。
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當信號通過連接器或者IC封裝傳播時，信號的波前(信號波形中跳變的成分)通tong過guo信xin號hao管guan腳jiao構gou成cheng一yi個ge電dian流liu環huan路lu，就jiu會hui耦ou合he並bing且qie返fan回hui到dao信xin號hao的de返fan回hui管guan腳jiao上shang。每mei一yi個ge信xin號hao和he對dui應ying的de返fan回hui路lu徑jing都dou可ke以yi構gou成cheng一yi個ge相xiang似si的de環huan路lu。在zai任ren何he兩liang個ge信xin號hao及ji其qi返fan回hui路lu徑jing構gou成cheng的de環huan路lu之zhi間jian都dou存cun在zai一yi個ge環huan路lu互hu感gan。

一個環路中的電流發生變化時
，就會在另外一個靜止(信號電流沒有變化)的環路中感應出信號噪聲。而當多個變化的信號線並發開關時，通過互感耦合到靜止環路的噪聲就會互相累計，因此稱為“並發開關噪聲”。圖2所suo示shi為wei五wu個ge數shu據ju線xian並bing發fa開kai關guan時shi測ce量liang到dao的de一yi個ge靜jing止zhi信xin號hao線xian上shang的de並bing發fa開kai關guan噪zao聲sheng。在zai這zhe個ge實shi例li裏li，靜jing止zhi信xin號hao線xian上shang的de噪zao聲sheng是shi由you該gai靜jing止zhi環huan路lu與yu所suo有you五wu個ge變bian化hua的de環huan路lu之zhi間jian的de互hu感gan而er造zao成cheng的de。

互感的計算

采用簡單的模型可以很方便地估算出兩個信號環路之間允許的最大互感值。進一步討論如何計算實際連接器中相鄰環路之間的互感。

當dang信xin號hao通tong過guo連lian接jie器qi的de一yi個ge管guan腳jiao對dui時shi，在zai變bian化hua的de信xin號hao通tong路lu上shang
，信xin號hao的de波bo前qian處chu會hui出chu現xian信xin號hao電dian流liu的de突tu然ran變bian化hua。變bian化hua的de電dian流liu會hui導dao致zhi電dian壓ya噪zao聲sheng並bing且qie感gan應ying到dao相xiang鄰lin的de靜jing止zhi信xin號hao環huan路lu上shang，這zhe種zhong感gan應ying是shi由you於yu兩liang個ge環huan路lu之zhi間jian存cun在zai的de互hu感gan引yin起qi的de。這zhe種zhong靜jing止zhi信xin號hao線xian上shang感gan應ying出chu來lai的de噪zao聲sheng稱cheng之zhi為wei開kai關guan噪zao聲sheng，這zhe是shi由you於yu這zhe種zhong噪zao聲sheng隻zhi有you當dang電dian壓ya或huo者zhe電dian流liu處chu於yu開kai關guan狀zhuang態tai時shi才cai會hui出chu現xian。

在靜止環路中感應出的電壓噪聲可以近似為：

                                                                    
表達式各項的意義為：Vn，靜止環路中的噪聲；Lab，變化環路和靜止環路之間的互感；△Ia，變化環路中的電流變化；Za，在變化環路與靜止環路的視在阻抗；Va，變化環路中的信號電壓；△t是信號的上升時間，表明電流開關的快慢。

選擇連接器或者IC封裝唯一可以影響的就是環路之間的互感
，而環路中信號視在阻抗通常都在50歐姆左右
，該阻抗值與上升時間及信號電壓一樣都是係統規範的一部分。

允許的開關噪聲幅度取決於噪聲分配。開關噪聲通常應該小於信號擺幅的5%到10%，當然噪聲的分配也取決於工程師的設計技巧，以及由誰來負責選擇連接器或者IC封裝。優秀的信號完整性工程師的談判代表非常清楚：要yao找zhao到dao一yi個ge具ju有you足zu夠gou低di互hu感gan的de連lian接jie器qi或huo封feng裝zhuang將jiang是shi多duo麼me的de困kun難nan，所suo以yi他ta會hui盡jin可ke能neng地di爭zheng取qu一yi個ge更geng寬kuan鬆song的de互hu感gan指zhi標biao，這zhe樣yang做zuo的de結jie果guo勢shi必bi導dao致zhi係xi統tong中zhong其qi它ta部bu分fen的de規gui格ge更geng加jia嚴yan格ge。

首先可以使用如下的值來開始這種估算：

首先可以使用如下的值來開始這種估算：Vn/Va =5%，Za=50歐姆，t=0.5ns，由上述公式可計算出允許的最大互感值是1.2nH。

                                                                
                                                                     圖3：連接器管腳的三維實體模型

確定上述應用假設條件後，就相當於對連接器或封裝的信號路徑之間允許的互感值施加了約束條件。當然
，在時間、chengbenfeiyongyijichanpinfengxianzhijianquanhengbingqieshishiziyuanfenpeizhiqian，youxiudeshejigongchengshiyinggaiyunyonggengjiawanshanerquanmiandexitongjifangzhenlaikaochajiujingduodadehugankeyiquebaoshejichenggong，bingqiebuhuiduixitongzaochengguoduodefudan。yinci

，shangmiandegusuanjinjinshiyigezuichudeyuqizhi

事(shi)實(shi)上(shang)，上(shang)述(shu)估(gu)算(suan)過(guo)高(gao)地(di)估(gu)計(ji)了(le)允(yun)許(xu)的(de)互(hu)感(gan)值(zhi)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)假(jia)設(she)靜(jing)止(zhi)信(xin)號(hao)線(xian)上(shang)的(de)噪(zao)聲(sheng)僅(jin)僅(jin)是(shi)由(you)一(yi)根(gen)相(xiang)鄰(lin)的(de)變(bian)化(hua)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)的(de)信(xin)號(hao)變(bian)化(hua)造(zao)成(cheng)的(de)。實(shi)際(ji)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，通(tong)常(chang)可(ke)能(neng)有(you)多(duo)個(ge)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)並(bing)發(fa)變(bian)化(hua)
，其(qi)中(zhong)每(mei)一(yi)個(ge)開(kai)關(guan)的(de)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)都(dou)會(hui)對(dui)靜(jing)止(zhi)信(xin)號(hao)線(xian)產(chan)生(sheng)並(bing)發(fa)開(kai)關(guan)噪(zao)聲(sheng)。根(gen)據(ju)連(lian)接(jie)器(qi)的(de)設(she)計(ji)
，信(xin)號(hao)管(guan)腳(jiao)之(zhi)間(jian)實(shi)際(ji)允(yun)許(xu)的(de)互(hu)感(gan)值(zhi)通(tong)常(chang)隻(zhi)有(you)上(shang)麵(mian)估(gu)算(suan)值(zhi)的(de)一(yi)半(ban)到(dao)五(wu)分(fen)之(zhi)一(yi)左(zuo)右(you)。

連接器管腳對之間或封裝引線對之間的互感值為1.2nH是不是太大？我們來看一個具體的實例，就會發現1.2nH實際上是一個很小的值，而對於實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值。

提取連接器的環路互感

在普通2mm間距的連接器模塊，這種連接器典型的管腳長度大約是25mm左右。如圖3所示，評估互感的值，可以將連接器實際的物理設計轉換為保留導體所有幾何特性的三維實體模型。

采(cai)用(yong)三(san)維(wei)場(chang)提(ti)取(qu)工(gong)具(ju)從(cong)導(dao)體(ti)的(de)實(shi)體(ti)模(mo)型(xing)中(zhong)提(ti)取(qu)出(chu)局(ju)部(bu)的(de)電(dian)感(gan)矩(ju)陣(zhen)。有(you)關(guan)連(lian)接(jie)器(qi)電(dian)感(gan)特(te)性(xing)方(fang)麵(mian)的(de)問(wen)題(ti)都(dou)包(bao)含(han)在(zai)這(zhe)一(yi)個(ge)電(dian)感(gan)矩(ju)陣(zhen)中(zhong)。矩(ju)陣(zhen)對(dui)角(jiao)線(xian)上(shang)的(de)元(yuan)素(su)是(shi)其(qi)局(ju)部(bu)自(zi)感(gan)
，而(er)不(bu)在(zai)對(dui)角(jiao)線(xian)上(shang)的(de)元(yuan)素(su)則(ze)是(shi)每(mei)管(guan)腳(jiao)對(dui)之(zhi)間(jian)的(de)局(ju)部(bu)互(hu)感(gan)。

20個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封裝的電氣性能方麵非常有效。一個信號與另一個相鄰的信號之間共用同一個返回路徑的情況很常見。管腳對1和2是變化的環路(信號會發生跳變)，而管腳對2和3則是靜止的環路(信號不發生變化)。
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這兩個路徑之間的互感為：LAB=(L31-L32)+(L22- L21)-L22

                                                    
                                               圖4：連接器中的所有20個管腳的局部互感矩陣。

從場提取工具產生的表格中，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

根據上述數值可以計算出互感值是6nH。這就是共用同一個返回路徑的兩個信號路徑之間的互感值。與最初估算的1.2nH相比，6nH太大。如果應用在這樣的設計環境下，可以肯定該連接器不能正常工作。

當(dang)然(ran)，如(ru)果(guo)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)理(li)由(you)確(que)實(shi)要(yao)在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)運(yun)用(yong)這(zhe)種(zhong)連(lian)接(jie)器(qi)，一(yi)種(zhong)辦(ban)法(fa)是(shi)確(que)保(bao)每(mei)一(yi)個(ge)信(xin)號(hao)都(dou)有(you)各(ge)自(zi)獨(du)立(li)的(de)返(fan)回(hui)路(lu)徑(jing)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，一(yi)個(ge)環(huan)路(lu)使(shi)用(yong)管(guan)腳(jiao)1和2，而另一個環路則使用管腳3和4。兩個環路之間的互感如下計算：LAB =(L31-L32)+(L42-L41)

這樣計算出來的互感值是1.4nH。可(ke)見(jian)僅(jin)僅(jin)通(tong)過(guo)為(wei)每(mei)一(yi)個(ge)信(xin)號(hao)提(ti)供(gong)各(ge)自(zi)獨(du)立(li)的(de)信(xin)號(hao)返(fan)回(hui)路(lu)徑(jing)

，就(jiu)可(ke)以(yi)將(jiang)開(kai)關(guan)噪(zao)聲(sheng)減(jian)少(shao)四(si)倍(bei)。考(kao)慮(lv)到(dao)其(qi)它(ta)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)信(xin)號(hao)同(tong)時(shi)變(bian)化(hua)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)
，可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)即(ji)便(bian)是(shi)1.4nH這麼小的值仍然會產生3到5倍這麼大的開關噪聲。

現(xian)在(zai)已(yi)經(jing)非(fei)常(chang)清(qing)楚(chu)，對(dui)高(gao)速(su)設(she)計(ji)而(er)言(yan)，常(chang)規(gui)的(de)連(lian)接(jie)器(qi)按(an)照(zhao)常(chang)規(gui)的(de)用(yong)法(fa)顯(xian)然(ran)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)要(yao)求(qiu)。任(ren)何(he)可(ke)能(neng)降(jiang)低(di)管(guan)腳(jiao)對(dui)之(zhi)間(jian)互(hu)感(gan)的(de)可(ke)行(xing)方(fang)法(fa)都(dou)應(ying)該(gai)考(kao)慮(lv)。

減小互感

原則上可以采取兩種方法來減少連接器的互感。

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鍵技術。而Tessera公司推出的CSP器件封裝的一個重要特征就是具有非常短的引線長度。

在這些技術中總的引線長度可以縮短到1mm。僅僅引線長度一項就可以將上麵實例中相鄰信號和返回路徑環路之間的互感減小為上述電感數值的二十分之一。

2. 要yao降jiang低di每mei一yi個ge信xin號hao與yu對dui應ying的de返fan回hui路lu徑jing的de特te征zheng阻zu抗kang。環huan路lu之zhi間jian的de互hu感gan與yu最zui小xiao環huan路lu的de自zi感gan成cheng比bi例li
，減jian小xiao一yi個ge管guan腳jiao對dui的de環huan路lu自zi感gan就jiu等deng於yu是shi降jiang低di信xin號hao通tong路lu的de特te征zheng阻zu抗kang。

SamTec公司的連接器就采用了這樣的技術

，這種連接器采用又寬又短的引線作為返回路徑。因此，器件封裝向采用內部返回路徑層的BGA封裝轉移，或者從單層金屬的TBGA向雙層金屬的TBGA封裝轉移。

從cong上shang麵mian的de實shi例li中zhong可ke以yi看kan出chu，信xin號hao和he返fan回hui路lu徑jing管guan腳jiao的de分fen配pei同tong樣yang也ye能neng影ying響xiang最zui終zhong的de信xin號hao路lu徑jing之zhi間jian的de互hu感gan。對dui於yu一yi個ge確que定ding的de連lian接jie器qi來lai說shuo

，管guan腳jiao的de選xuan擇ze可ke以yi用yong來lai優you化hua係xi統tong的de性xing能neng。然ran而er如ru果guo具ju備bei足zu夠gou的de管guan腳jiao做zuo更geng加jia靈ling活huo的de信xin號hao和he返fan回hui路lu徑jing分fen配pei，那na麼me係xi統tong設she計ji工gong程cheng師shi通tong常chang總zong會hui選xuan擇ze分fen配pei更geng多duo的de信xin號hao管guan腳jiao。

對連接器廠商提供參數的評估

假定已經對電路板設計進行了優化，並且已經估算出相鄰信號環路之間允許的最大互感值，那麼
，要告訴元器件廠商：所需要的連接器必須保證相鄰信號環路之間的互感值小於1nH。

連接器廠商和IC封feng裝zhuang廠chang商shang通tong常chang都dou在zai機ji械xie工gong程cheng和he生sheng產chan製zhi造zao方fang麵mian非fei常chang精jing深shen
，但dan不bu是shi特te別bie了le解jie有you關guan的de電dian氣qi特te性xing
，甚shen至zhi可ke能neng並bing不bu知zhi道dao他ta們men應ying該gai提ti供gong連lian接jie器qi的de互hu感gan特te征zheng。有you的de時shi候hou，這zhe些xie器qi件jian廠chang商shang也ye提ti供gong管guan腳jiao對dui之zhi間jian的de串chuan擾rao電dian壓ya信xin息xi。正zheng如ru前qian麵mian所suo看kan到dao的de那na樣yang
，這zhe些xie值zhi跟gen信xin號hao的de上shang升sheng時shi間jian、阻抗以及信號和返回路徑對的分配都有很大關係。如果廠商給出特殊情況下的值與你的具體應用要求不一樣的話

，該如何評估這些值？

用(yong)戶(hu)總(zong)是(shi)主(zhu)動(dong)去(qu)獲(huo)取(qu)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)精(jing)確(que)信(xin)息(xi)，即(ji)信(xin)號(hao)與(yu)返(fan)回(hui)路(lu)徑(jing)環(huan)路(lu)之(zhi)間(jian)的(de)互(hu)感(gan)。而(er)且(qie)應(ying)該(gai)向(xiang)元(yuan)器(qi)件(jian)廠(chang)商(shang)明(ming)確(que)提(ti)出(chu)這(zhe)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)個(ge)設(she)計(ji)指(zhi)標(biao)，如(ru)果(guo)元(yuan)器(qi)件(jian)廠(chang)商(shang)不(bu)提(ti)供(gong)這(zhe)些(xie)信(xin)息(xi)的(de)話(hua)，你(ni)就(jiu)不(bu)能(neng)夠(gou)評(ping)估(gu)廠(chang)商(shang)提(ti)供(gong)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)能(neng)否(fou)在(zai)你(ni)的(de)設(she)計(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)
？

如果廠商提供了這些指標
，也可以進一步地查明廠商是如何獲得這些參數的：shitongguocelianghaishitongguojisuan？ruguoshitongguoceliangfangfahuodedehua，changshangshifoucaiyongleyejiebiaozhundeceliangliucheng？ruguoshitongguojisuanhuodede

，zhexiezhidehuodeshifoushiyizhongjinsi(就如同所有的計算公式一樣)？tashifoutongguochangtiqufangfahuode
？changshangshifoutigongrenhedezhichiwendangziliaolaizhengshitamendejianmoguochengfuheshijideqingkuangbingqietongshengchanzhizaodeyuanqijianxingnengxiangwenhe
？ruguochangshangbunengtigongzhexiexinxi，yinggaijianyigaichangshangcaiyongdulideshiyanshifuwuhuozheshiguwenfuwulaibangzhutamentigongzhexiexinxi。

在zai最zui後hou的de分fen析xi中zhong，要yao選xuan擇ze那na些xie不bu僅jin能neng夠gou提ti供gong符fu合he你ni設she計ji係xi統tong要yao求qiu的de性xing能neng指zhi標biao，同tong時shi也ye能neng夠gou給gei你ni信xin心xin保bao證zheng在zai你ni的de係xi統tong中zhong可ke以yi一yi次ci性xing成cheng功gong的de連lian接jie器qi廠chang商shang。產chan品pin合he格ge與yu資zi料liao齊qi全quan、準確詳實同樣重要。