高频基本知识简介.pdf

high speed cable 高频基础知识简介 january 17, 2014 jet shen ? 前言 随着科技的进步,人类对信息通讯产品愈加倚赖，信息电子产品之指令 周期传输信息量皆大幅提升，电子零组件之高频特性愈发重要。例如， pcb、线缆、连接器等过去被视为单纯桥接作用之组件，现有规格都增加 了衰减(insertionloss)、回损（returnloss）、特性阻抗(impedance)、 串音 (crosstalk)、传输延迟(propagationdelay)、propagationdelay skew、隔离效果(shieldingeffectiveness)、等高频特性要求。 ? 内容目录 ? 高频的概念 ? 高频的参数 ? 高频的测试 ? 高频与制程的联系 ? 高频的概念 一般而言,当待测物长度( 或=) 信号波长 1/10. (有些数据定为波长1/20) 多快才算高频多快才算高频 ? 我们经常见到的高频传输cable有usb3.0, sata, sas, infiniband, pcie, mini-sas, qsfp, sfp+.等. ? 高频的概念-时域和频域 对同一对象的不同观察角度 “时域”用来观察信号随着时间轴变化的情形 “频域”用来显示信号在不同频率点上的能量分布状况 频域和时域的信息可以藉由傅利叶变换(foruiertransform)来转换 用于时域的仪器: 示波器和tdr(timedomainreflectometry) 用于频域的仪器 频谱分析仪和网络分析仪(networkanalyzer) 时域和频域的关系 ? 高频的概念-时域和频域 时域和频域的关系 振幅 (能量) 时域测试方法 频域测试方法 ? 高频的概念-db db值的观念与定义均由能量 (energy) 或功率(power)的观 点出发 (power等于energy对时 间的微分,或单位时间输出的能 量 )，db值重要处在于: 1.对数值显示可以看更广的范围 。 2.仪器制造商以db值来表示产品 性能。 3.数值的乘除等于用db值的加减 ，故用db值可以方便计算。 dutdut sourceloadsourceload vs rs vin rin vout rl pv 2 ? 高频的概念-上升时间（risetime）当仪表上升时间小于被测上升时间的7倍,误差可降到1%。 ? 高频的参数-阻抗（impedance） 在传输线的任何长度上，高频电压与电流的比值固定，称之为特征阻抗 不同的传输线(不同的cable，不同的connector)会有不同的r、l、 g、c参数，这些参数可经由不同材质，结构形状予以设计调整。 z rj l gj c o = + + 1. impedance(阻抗) r为直流电阻 g为直流电导 c为导线间的互容 l为导线的自感 w是角频率 当传输线处于高频传输状态时,w值很 大,r和g可以忽略不计. impedance(阻抗)=resistance(电阻)+reactance(电抗) 低频时：reactance很小，主要是看resistance。因此在直流及低频时， 所量测(譬如用三用电表)到的是电阻。 高频时：resistance很小，主要是reactance(电容及电感的效应)。故在高 频时，reactance就是指阻抗。 z rj l gj c o = + + reactance有两种：inductivereactance(xl=l)感抗 capacitivereactance(xc=1/ c)容抗 对理想传输线,当r=0,g=0, 即无损耗时,zo为特性阻抗. ? 高频的参数-阻抗（impedance） ? 高频的参数-插入损耗（insertion loss） 传输系数(t):输出电压与入射电压的比值. 插入损耗(insertionloss):信号藉由连接器从一个传输路径转接至另一 传输路径时产生的损失,插入损耗又被称之为衰减. 衰减(attenuation):讯号行经连接器或线缆所损失的能量(包括热损耗和 辐射损耗 ) 传输系数 = v v t incident dtransmitte 插入损耗 log20 v v log20 incident ontransmissi = dut vincidentvtransmitted ? 高频的参数-插入损耗（insertion loss） 衰减产生的主要原因: 1.热损失:在高频时,电流愈靠近导体周围流动,称集肤效应（skineffect）,此乃导 因在更高频时,导体中心的导体阻抗增大,强迫电流流向周围.所以,真正可用的导 体面积缩小,导致电阻值增加,损耗增加. 2.辐射损失:电磁场散逸在空气中或介质而损失能量。也就是emi中的辐射干扰( 另一种是经由电流影响其他装置的传导干扰)，这能量若耦合到其它装置就造成 干扰。若辐射损耗要小，则shielding要做好。 1818 1010 0 0 如右图所示,随着频率的增 大导体阻抗会越来越大. ? 高频的参数-串音（crosstalk） 串音(crosstalk)串音指两线路之间相互干扰的电磁噪声,由互容和互感组 成.串音与器件结构或通路间相互位置,信号频率,介电常数等有关 ,屏蔽是 改善串音的主要手段.串音有近端串音(nearendcrosstalk)和远程串音 (farendcrosstalk). ? 高频的参数-串音（crosstalk） 如何减少crosstalk? 1、信号的传输路径距离尽量远； 2、对于差分对信号，两根信号路径间隔要近； 3、选用塑料介电常数低的塑料材料； 4、信号路径之间加ground吸收噪声。 d+d-gd+d- ? 高频的参数-延迟（delay）&时延差（skew） 时延/延迟(delay) 信号通过传输器件或通路所用的时间. 时延差(skew) 信号通过两不同传输器件或通路的时延差 skew time illustration of skew for 4 parallel line input signal delay output signal output signalinput signal tpd(propagationdelay)=l/v l为传输线长度,v为传输速度 skew=|tpd1 tpd2| ? 高频的参数-眼图（eye pattern） 眼图(eye pattern ) :反映高速数字信号经传输而产生的失真程度,信号的失真由损耗 和相位延迟引起,眼的开口越大越好.主要要如下3个参数: 信号越多信号越多,“eye”越小越小 损耗损耗&噪音越多噪音越多, “eye”越小越小 mask: 是由测试者在眼的开口内通过定义t &v而构造的一个区域,通常为矩形或多 边形. jitter: 信号通过某一指定电平所需的时间。 noise: 眼的开口与信号理想(即无损耗)振幅间的最小电压差。 ? 高频的测试-tdr tdr -time domain reflectometry 测试产品举例: ?satacable ?usb3.0cable ?minisascable ?mini-sashdcable ?pcie cable ?sfp+passive&activecable ?qsfp+passive&activecable tektronix dsa8300 + tdr module ? 高频的测试-tdr 它的横轴为时间，纵轴为电压，也可换 算为阻抗，通过分析反射波形，可计算 出发生反射位置和反射点的阻抗值： ? tdr原理（timedomainreflectometry) 实时域反射仪是测量传输线的特性阻抗的一种最直接的方法。由一阶 跃信号发生器产生一个已知的具有一定重复频率的方波，把它加到 被测在线，由高带宽的示波器接收反射回波，如下图所示 ? 高频的测试-vna vna -vector network analyzer 测试产品举例: ?rfconnector,antenna ?satacable ?usb3.0cable ?minisascable ?mini-sashdcable ?pcie cable ?sfp+passive&activecable ?qsfp+passive&activecableagilent pna-l n5230c network analyzer ? 高频与制程的联系-infiniband cable制程 crosstalk impedance 焊点大小 铆压高度 剥铝箔长度 pcb结构 剥铝箔长度 ib 高频 与制程 分析 pcb结构 skew 线材 attenuation 连接头 线材 线材 ? 高频与制程的联系-infiniband cable制程 高频与制程的联系-infiniband cable制程 impedance (焊点过大)(焊点过大) impedance (铆接压力过大) ? 高频与制程的联系-infiniband cable制程 differential impedance when zdiff 109 or zdiff 91 identify potential problems as illustrated report to qc to check process check test fixture and setup (rise time) 1. excessive al foil stripping higher impedance caused by excessive al foil stripping 2. termination: excessive solder lower impedance caused by excessive solder material 3. compressed pair near crimping lower imp