解析高频电子连接器技术.ppt

解析高频电子连接器技术,Department: Engineer Reporter: Victor.Zhu Date: Apr,23,2008,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） 上升時間衰減（rise time degradation）等。,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。 (集總元件: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 . 分佈元件:工作頻率在微波頻段時，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，則此時的元件為分佈元件 ),匹配阻抗（impedance）,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。,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。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边的環境來決定，在傳輸線中的傳遞速度 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。,衰減（attenuation）,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。 單端信號 :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 :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。,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。,結語,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，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。,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。,High frequency test environment,VNA(网络分析仪）,TDR（时域反射仪）,Core Technology of HDMI,Reel to Reel Insert-Molding Auto-soldering process = Features: Excellent & Uniform quality High Manufacturing Efficiency High Technique Barrier to Competitor,Reel to Reel Insert-molding Process,Receipt Reel,Feeding Reel,Vertical Molding Machine,Reel to Reel Insert-molding Process,Feeding,Insert-molding,Packing,Parts After Insert-molding,9 Pin Piece,10 Pin Piece,Auto-Soldering Process,Auto-Soldering machine,Unique Soldering Fixture