（电路与系统专业论文）ac耦合连接器的信号完整性分析.pdf

摘要 摘要 高速互连系统受许多因素的影响，例如互连密度、带宽、信号完整性和功率 需求等。随着电子系统向高速度、高密度、低功耗、低电压和大电流的趋势发展， 系统中的数据传输速率迅速提高，对互连的带宽要求越来越大。如何获得可传输 多g b p s 信号的高带宽互连系统是目前许多团队正在研究的课题。a c 耦合互连可 用于芯片间传输高速数字信号，a c 耦合包括电感耦合和电容耦合，由于a c 耦合 互连的信号传输界面是非接触的，所以能提供比机械匹配连接更加密集、简单的 互连。本论文站在前人研究成果的基础上，讨论了使用电容耦合互连实现板级高 速数字信号传输的可行性，提出a c 耦合互连的有效均衡方案，增加了a c 耦合互 连的适用范围；此外文中还分析和研究了同时开关噪声抑制中的电容位置对噪声 抑制的影响。本论文的主要研究成果归纳如下： 1 根据a c 耦合原理，设计了一种板级电容耦合连接器，将发射端信号通过 两条紧耦合传输线构成的电容耦合到接收端。由于信号传输界面是非接触的，插 入力为零，因此消除了磨损和氧化对引脚造成的影响，使信号得到更好的传输。 仿真结果表明，文中所设计的电容耦合连接器能在信号数据传输率达到4g b p s 时 保证信号的高质量传输。 2 根据高速互连线间的串扰耦合机理，分析了电容耦合连接器物理结构对接 收端脉冲波形的影响，提出了连接器尺寸的选择策略，为电容耦合连接器的设计 提供了经验法则。 3 a c 耦合连接器可以用于板级互连的多g b p s 信号传输，当信号的传输速率 增加或使用较大的电感( 电容) 值时，接收端脉冲将遭受过多的符号间干扰，不 能有效的恢复信号。针对这个问题，通过分析接收端脉冲产生符号间干扰的原因， 提出了驱动端均衡的方案，并给出均衡比例的计算方法。仿真结果显示，采用驱 动端均衡方案，能够有效的消除符号间干扰，可以使电感值( 电容值) 的选择和 信号传输速率相互独立，增加了a c 耦合连接器的适用范围。 4 基于微波网络理论，分析和研究了同时开关噪声的传播与抑制，提出了一 种新的抑制噪声传播的多级电容法，该方法采用多列分布电容和增大噪声路径传 输损耗，能够有效地抑制噪声的传播，提高电容噪声抑制的效率。f d t d 仿真结果 验证了该方法的有效性，并给出了多级电容法抑制噪声的应用规则。 关键词：交流耦合互连符号间干扰均衡连接器同时开关噪声 a b s t r a c t a bs t r a c t h i g h - s p e e di n t e r c o n n e c ts y s t e m sa r ea f f e c t e db ym a n yf a c t o r ss u c ha si n t e r c o n n e c t d e n s i t y ，a g g r e g a t eb a n d w i d t h ，s i g n a li n t e g r i t ya n dp o w e rr e q u i r e m e n t s w i t ht h et r e n d o ft h em o d e me l e c t r o n i cs y s t e m st o w a r dh i g h e rs p e e d ，h i g h e rd e n s i t y , l o w e rp o w e r , l o w e rs u p p l yv o l t a g e sa n dl a r g e rc u r r e n t ，t h es y s t e m sd a t at r a n s m i s s i o nr a t eh a sb e e n i n c r e a s i n gr a p i d l ya n dh i g h - s p e e di n t e r c o n n e c t sw i t he v e nw i d e rb a n d w i d t ha r er e q u i r e d m o r et h a ne v e r h o wt o a c q u i r eh i g hb a n d w i d t hi n t e r c o n n e c ts y s t e m sc a p a b l e o f m u l t i g b p ss i g n a l i n g a r ec u r r e n t l yu n d e ri n v e s t i g a t i o nb yan u m b e ro fg r o u p s a c c o u p l e di n t e r c o n n e c t ss h o wp r o m i s et oe n a b l eh i g hd a t ar a t ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e n i c s a cc o u p l e di n t e r c o n n e c t si n c l u d ec a p a c i t i v ec o u p l i n ga n di n d u c t i v ec o u p l i n g f o r t h es i g n a lt r a n s m i s s i o ni n t e r f a c ei sn o n c o n t a c t ，a cc o u p l e di n t e r c o n n e c t sc a nb eb u i l t o fal o td e n s e ra n ds i m p l e rt h a nm e c h a n i c a l l ym a t e di n t e r c o n n e c t b a s e do ne x t e n s i v e l y s u m m a r i z a t i o no ft h er e l a t i v er e s e a r c hr e s u l t s ，t h et h e s i ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h e f e a s i b i l i t yo ft r a n s m i t i n gh i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a l st h r o u g ht h ec a p a c i t i v ec o u p l i n g i n t e r c o n n e c t so nb o a r dl e v e l ，a n da ne f f e c t i v ee q u a l i z a t i o na p p r o a c hf o ra cc o u p l e d i n t e r c o n n e c t si sp r o p o s e dt oe x t e n dt h ea p p l i c a t i o ns c o p eo fa cc o u p l e di n t e r c o n n e c t s m o r e o v e r , t h ee f f e c t so ft h el o c a t i o no fc a p a c i t o ro nt h es u p p r e s s i o no fs i m u l t a n e o u s s w i t c h i n gn o i s ea r ea n a l y z e d t h en e w i d e a so fd i s s e r t a t i o na r em a i n l yl i s t e da sf o l l o w s 1 a c c o r d i n g t oa cc o u p l i n g p r i n c i p l e ，ad e s i g no fb o a r d l e v e lc a p a c i t i v e c o u p l i n gc o n n e c t o r si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i sd e s i g ni si m p l e m e n t e db yc o u p l i n g t h es i g n a lo ft h et r a n s m i t t e rt ot h er e c e i v e rt h r o u g ht h ec a p a c i t a n c ec o n s i s t i n go ft w o t i g h t l y c o u p l e dt r a n s m i s s i o nl i n e s t h ei m p a c to ft h ep i n sw e a ra n do x i d a t i o na r e e l i m i n a t e db e c a u s eo ft h ec o n t a c t l e s so ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o ni n t e r f a c e s ，w h i c hb r i n g g o o dt r a n s m i s s i o no fs i g n a l s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no fc a p a c i t i v e c o u p l i n gc o n n e c t o r se n s u r e sh i g hq u a l i t yo fs i g n a lt r a n s m i s s i o ni n4g b p ss i g n a l i n gd a t a r a t e s 2 a c c o r d i n g t ot h ec r o s s t a l kc o u p l i n gm e c h a n i s mb e t w e e nt h eh i g h s p e e d i n t e r c o n n e c t s ，t h ee f f e c to ft h ep h y s i c a ls t r u c t u r eo fc a p a c i t i v ec o u p l i n gc o n n e c t o ro n t h ep u l s ew a v e f o r mo ft h er e c e i v e r s i d ei sa n a l y z e d ，a n dt h es e l e c t i o ns t r a t e g yf o rt h e s i z eo fc o n n e c t o r si sp r o p o s e d 3 a cc o u p l e dc o n n e c t o rc a nb eu s e df o rm u l t i g b p ss i g n a lt r a n s m i s s i o no nb o a r d l e v e l w i t ht h ei n c r e a s i n go fs i g n a lt r a n s m i s s i o nr a t eo rt r a n s f o r m e ri n d u c t a n c e ( c o u p l i n gc a p a c i t a n c e ) v a l u e ，t h er e c e i v e r - s i d eo ft h ea cc o u p l e dc o n n e c t o rw i l l s u f f e re x c e s s i v ei n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，a n dt h es i g n a l c a nn o tb e e f f e c t i v e l y r e c o v e r e d t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ed r i v e r - s i d ee q u a l i z a t i o ns c h e m ei s p r o p o s e db v a n a l y s i n gt h er e a s o n so fi n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c ea n dt h ee q u a l i z a t i o nr a t i oc a l c u l a t i o n m e t h o do ft h i ss c h e m ei sa l s og i v e n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h ed r i v e r - s i d e e q u a l i z a t i o ns c h e m ec a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n dt h ec h o i c e o fi n d u c t a n c e ( c a p a c i t a n c e ) v a l u ea n ds i g n a lt r a n s m i s s i o nd a t ar a t ei n d e p e n d e n to f e a c ho t h e lt h e r e f o r et h ea p p l i c a t i o ns c o p eo fa c c o u p l e di n t e r c o n n e c t si se x t e n d e d 4 t h et r a n s m i s s i o na n ds u p p r e s s i o no ft h es i m u l t a n e o u s s w i t c h i n gn o i s ea r e i n v e s t i g a t e db a s e do nm i c r o w a v en e t w o r kp r i n c i p l e ，a n dan e wm e t h o df o rs u p p r e s s i o n o ft h en o i s et r a n s m i s s i o nw i t hm u l t i s t a g ec a p a c i t o r si s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em u l t i r o wc a p a c i t o r sa n dt h el a r g e rt r a n s m i s s i o nl o s so f n o i s ep a t hc o u l di m p r o v et h e a b i l i t yt os u p p r e s st h en o i s et r a n s m i s s i o na n dt h e e f f i c i e n c yo ft h en o i s es u p p r e s s i o nw i t hc a p a c i t o r s f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e m e t h o di sv e r i f i e dw i t hf d t ds i m u l a t i o n s ，a n dt h ed e s i g nr u l e so ft h em e t h o dw i t h m u l t i s t a g ec a p a c i t o r sa r ed e r i v e d k e yw o r d s ：a cc o u p l e di n t e r c o n n e c t i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e e q u a l i z a t i o n c o n n e c t o rs i m u l t a n e o u ss w i t c h i n gn o i s e 作者简介 曲咏哲，辽宁省大连市人，生于1 9 7 8 年。2 0 0 0 年毕 业于西安电子科技大学电子工程专业、获学士学位。2 0 0 7 年至2 0 1 2 年于西安电子科技大学攻读博士学位。导师： 李玉山教授。 主要研究方向：电源噪声抑制、高速互连的建模与抖 动分析、电源完整性分析与设计。 y o n g - z h eq uw a sb o mi nd a l i a n ，l i a o n i n gp r o v i n c e ，c h i n a ，i n19 7 8 h er e c e i v e d h i sb s d e g r e ei ns c h o o lo fe l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gf r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a n ， c h i n a ，i n2 0 0 0 h ei sw o r k i n gt o w a r dt h ep h d d e g r e ei ns c h o o lo fe l e c t r o n i c e n g i n e e r i n gf r o mx i d i a nu n i v e r s i t yf r o m2 0 0 7t o2 0 1 2 p h d c a n d i d a t ea d v i s e r ：p r o f y u s h a nl i h i sc u r r e n ti n t e r e s t sf o c u so np o w e rn o i s es u p p r e s s i o n ，h i g hs p e e di n t e r c o n n e c t s m o d e l i n ga n dj i t t e ra n a l y s i s ，p o w e ri n t e g r i t ya n s l y s i sa n dd e s i g n h eh a sp u b l i s h e dt h r e ep a p e r si nj o u r n a lo fx i d i a nu n i v e r s i t ya n dj o u r n a lo f u n i v e r s i t y o fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y o fc h i n aa st h ef i r s ta n d c o r r e s p o n d i n ga u t h o ra n dn i n ej o u r n a la n dc o n f e r e n c ep a p e r sa sc o a u t h o r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 随着科学技术的发展，电子设备越来越复杂，功能需求越来越高，电路呈现 出规模极大化、工艺尺寸微小化、工作速度高速化和时钟频率高频化等发展趋势， 系统中的数据传输速率迅速提高，对高速互连的需求越来越多，互连的带宽要求 也越来越大。 在集成电路发明后的第六年，也就是1 9 6 5 年，英特尔( i n t e l ) 创始人之一戈 登摩尔( g o r d o nm o o r e ) 提出“摩尔定律”：当价格不变时，集成电路( i c ) 上可 容纳的晶体管数目，约每隔2 4 个月( 1 9 7 5 年摩尔将2 4 个月更改为1 8 个月) 便会 增加一倍，性能也将提升一倍；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔 1 8 个月翻两倍以上。摩尔定律并不是科学或自然定律，而是描述半导体技术指数 发展的独特法则，是对发展趋势的一种分析预测，这一定律揭示了信息技术进步 的速度。与摩尔定律相对应，半导体工业的各个参数都发生着深刻的变化。图1 1 表明了处理器晶体管数量的发展遵循摩尔定律的指数增长规律。 晶体管数量 2 ，6 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 1 ，0 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 1 0 ，0 0 0 ，0 0 0 l ，0 0 0 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 1 0 ，0 0 0 2 ，3 0 0 智“m v ”, i l 、片 1 9 9 0 2 0 0 0 时问 图1 1处理器晶体管数量( 1 9 7 1 2 0 11 ) 随着工艺尺寸向着亚微米和深亚微米方向发展，现在单集成电路内晶体管数 目高达2 0 亿个( i n t e lw e s t m e r e 处理器) ，而且已经有2 8 纳米工艺技术的器件了。 当今主流计算机的c p u 时钟频率高达几个g h z ，而高速串行总线的数据率可达1 0 g b p s 【1 。9 j ，在一些实验室中已经运行几十g h z 的处理器，电路系统进入到了高速时 代。在p c b 上已经成功的使用一对铜差分对走线传输高达1 2 5g b p 的数据率：在 a c 耦合连接器的信号完整性分析 并行的串行总线上，分立器件可以传输的数据率高达4 0g b p s 。随着处理器晶体管 数量和信号数据率的增加，互连技术也在高速发展，目前3 d 封装已经在消费电子 中得到广泛的应用。 在当今的电子设计领域，由高速电路构成的电子系统【1 叽1 3 】朝着高密度、大规 模、高速度的方向发展，对高密度、高带宽互连的需求，使今天的高性能互连设 计的复杂性日渐增加。许多过去可以忽略的物理效应开始变得重要起来，一些电 路设计和方法也受到了不同程度的挑战，信号完整性( s i ) 问题开始变得越来越严 重【1 4 。15 1 ，如何获得可传输多g b p s 信号的高带宽互连系统逐渐成为高速电路系统设 计的重要课题。 1 2 1 高速互连的需求 1 2 高速互连中存在的挑战 计算机现在已经深入到我们的日常生活之中，通过它可以存储大量的数据和 解决复杂的问题。随着计算机芯片速度的不断提升，其元器件密度和输入输出端 口( i o ) 的数量也不断增加，计算机的系统功能越来越多，功耗越来越高，电磁 辐射也越来越强。这些问题的出现对高速互连的设计提出了一些新的挑战。i o 数 量的不断增加，将导致p c b 层数、密度不断提高。目前i c 中i o 最大数量已经超 过2 0 0 0 个，而且功耗超过2 0 0w ，p c b 最大层数也超过了5 0 层。复杂的高密度 互连促使封装工艺迅速发展，出现了封装上系统( s o p ) 、系统级封装( s i p ) 和多 芯片组件封装( m c m ) 等系统级封装和3 d 封装，一些高新工艺也逐渐成为主流 ( 例如嵌入式元件和微孔等) 。发展形势要求我们设计新型的系统和芯片，p c b 设 计越来越受到光纤数据传输的影响，特别是系统中光电交换部分，在大容量高速 数据通信和电信网络应用中，电气部分必须工作在非常高速的状态，这使数字设 计进入了r f 领域。 互连通常是按功能来分类的，例如：封装、插槽、连接器、p c b 板和一些其 它的结构。高速互连电路一般用于芯片的封装，芯片封装是集成电路的支架，用 于把电路正确的接合到系统上，并提供必需的物理连接、热连接和电气连接。芯 片封装有各种不同的类型，根据封装的各个物理属性的不同，通常可以分为三类： 芯片到封装的连接、封装上的连接、封装到p c b 板上的连接。对于很多高速系统 来说，互连已经成为影响系统性能的决定性因素。因此，在设计的最初阶段设计 者就必须考虑互连对整个系统的影响。图1 2 显示在设计的不同层次中出现的互 连，例如芯片内互连、封装上互连、印刷电路板和背板之间的互连，等等。 第一章绪论 过孔 子板 过孔 背板 过孔 图1 2 不j 司层次的互连 随着硅集成电路生产的技术突破，集成系统中越来越多地应用到大规模和超 大规模集成电路。同时，工艺技术大大提高了晶体管的性能，减少了芯片的面积， 对于高速超大规模的集成电路设计来说，在芯片中信号的运行频率和引脚的数量 不断增加，根据英特尔公司的统计，每2 8 个月增加一倍。但是在不同计算机部件 之间的接口处，数据传输速率增加的速度很慢，图1 3 显示了c p u 和每个引脚数 据率的发展趋势【16 | 。 爹萨萨梦爷擎爷事擎萨擎萨萨萨移 2 0 1 8 ，、 芒 侣8 1 4 。 1 2 簧 窭 8 蛊 6 墓 4 而 2 o 图1 3预计禾来c p u 和每个引脚数据率的吞吐量 由r e n t 规律【1 7 1 可知： p = 7 g o 2 1 ( 1 1 ) 其中p 是i o 的引脚数，g 是门数。由于持续增加的芯片带宽和可用芯片外通 信的信号引脚数目之间的差距不断扩大，微处理器越来越受到引脚的限制，这将 严重影响系统的互连肿l l z r 厶匕f j l 5 ，因此对可传输高速信号的高密度互连接口的需求不断 增长。 现在高速互连接日已经广泛应用于各种互连之中，例如芯片到芯片的互连、 板卡到板卡的互连、系统到系统的互连，而且互连速度也不断提高。目前系统的 o o o o 0 o o o o 删 茎耋 跏 黼 栅 薹薹 。 憩口。 a c 耦合连接器的信号完整性分析 通道数已经从单通道扩展到了3 2 通道，而且每个通道的速率已经从1g b p s 提高到 1 0 - 4 0g b p s 。根据i t r s 的数据显示，通常高速i o 接口的信号速率每隔2 3 年就 要翻一番。2 0 0 8 年时主流的接口速率大约为5 - 6g b p s ，而当前主流高速串行接口 的速率已高达8 1 0g b p s 。表1 1 是a l t e r a 、x i l i n x 的不同工艺制作的主流f p g a 器 件的功耗和速率对比。从表中可以看出，随着工艺的进步，器件的速率不断提高。 数据传输速率的急剧增长使系统对互连的带宽需求越来越大，传统的接口互连技 术成为提高数据传输速率的瓶颈，要求发展新的高速的接口互连技术。 表1 1a l t e r a 、x i l i n x 主流的f p g a 器件功耗、速度对比 半导体核电压 高速串行收发器 器件型号 工艺( n m )( v ) 电压( v )速率( g b p s )功耗( r o w ) a l t e r as t r a t i xg x1 3 01 51 53 1 8 7 51 7 5 a l t e r as t r a t i xi ig x9 01 21 26 3 7 52 5 0 3 21 0 0 x i l i n xv i r t e x 56 51 01 2 6 52 0 0 3 21 0 0 a l t e r as t r a t i xi v 4 00 91 16 51 3 5 g x 8 51 6 5 工艺技术的发展有助于减少互连间距( 互连线的间距和宽度之和) ，并增加封 装密度。当芯片引脚数越来越多时，系统电路中的布局布线密度也越来越大，此 时互连线由于密度增加而产生的耦合电容和耦合电感增加，这将导致的串扰噪声 变多。图1 4 显示了在1c m 2 面积上互连长度的发展趋势，从图中可知，2 0 1 0 年在 1c m 2 的面积上互连线的长度约有1 6 公里。预计在一些大型的片上系统( s o c ) 设 计中，互连线的长度将超过1 0 0 公里。 1 8 0 1 6 0 1 4 0 0 0 皇1 2 0 0 0 受1 0 0 0 0 ：田8 0 0 0 6 咖 4 0 0 0 2 咖 0 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 52 0 嘶2 0 0 72 0 1 0 时问( 年) 图1 4 互连线长度 4 第一蕈绪论 随着芯片体积减小，引脚线变得越来越细，这使互连线的阻抗增加，进而信 号的延时和衰减也将增加。同时，随着电子系统中逻辑和系统时钟的上升时间不 断变短、信号的边沿不断变陡，这使得集成电路中的开关速度变得越来越快，不 断提高的信号工作频率与低阻抗金属的使用，促使p c b 上和封装互连中高速互连 的趋肤效应、振铃和谐振等感性效应变得更明显。随着高速系统中的互连线逐渐 呈现“传输线”效应【2 】，高速信号的同时开关噪声( s s n ) 成为影响系统性能的主 要因素。 1 2 2 面临的挑战 1 、高速连接器 连接器主要用于将一个p c b 连接到另一个p c b 或其他设备上，是实现电气设 备和电气系统间电气连接的主要器件，也是高速互连接口的主要体现形式。随着 通信技术的发展，连接器的应用范围日益广泛【l 引，在电脑的机箱中会看到各种各 样的用于高速互连的连接器：处理器连接器、存储器连接器、u s b 总线连接器， 等等。为了传输高速数字信号，对连接器的电性能提出了新的要求，它的功能及 质量好坏对系统的影响极大。 随着信号的传输速率不断增加，尤其当传输的速率达到g b p s 数量级以上时， 连接器同样会表现为传输线特性，此时连接器的设计与传输线的设计类似，尽量 要保持其特性阻抗不变，就是必须采用阻抗受控的高速连接器，以控制高速信号 经过连接器时受到的瞬时阻抗的变化程度。所谓阻抗受控连接器，就是连接器的 内部走线是阻抗受控传输线。因此如何在有限的面积中减小连接引脚的尺寸、增 加引脚数目、提高信号的传输速率显得更加重要。 除了要满足一般的性能要求外，对连接器的性能和可靠性也提出了新的、更 高的要求，需要有高密度的引脚数和高速传输速率，对温度和环境要有较强的适 应性，接触良好，具有高插拔寿命、抗磨损，并且工作可靠、维护方便，其工作 可靠与否直接影响整个设备电路的正常工作，涉及整个主体的性能。 2 、同时开关噪声 同时开关噪声，也称为i 噪声、电源噪声、地弹噪声等，是指在数字系统的 电源配送网络中，因多个电路同时开关而造成的电流和电压快速变化所产生的噪 声。快速变化的电流在封装的电源和地引脚产生很大的电压，所以又称s s n 为 s s o ，即同时开关输出。随着数字系统向高速度、低功率方向发展，s s n 已经成为 高速设计的主要瓶颈之一【1 9 】。对高速、高密度连接器的需求使连接器的引脚密度 越来越高，引脚线变得越来越细，在连接器中引入了串联电感和并联寄生电容等 寄生参数，随着频率的提升，串联电感能导致引脚之间的串扰以及电源地引脚上 a c 耦合连接器的信号完整性分析 的s s n ，因此如何降低连接器的s s n 已经成为高速连接器设计的主要任务。近十 几年中s s n 的分析与设计一直是高速系统设计的主角之一，很多s i 的著作都对 s s n 的产生机理和造成的危害进行论述1 2 0 】，在这些著作中都采用部分电感来描述 s s n 。事实上s s n 产生的机理很复杂，很难精确描述和分析。一般情况下很多的 研究都是对实际情况进行简化后来进行的【2 1 。3 8 j 。通过这些研究可以了解s s n 产生 的机理，其对高速数字系统造成的影响，并研究正确处理s s n 的办法等。现在我 们无法阻止s s n 的产生，所以对于s s n 当前的主要工作是对s s n 抑制的研究， 即如何采用适当的方法或措施减少s s n 的危害。 1 3 国内外研究的现状 1 3 1 高速连接器的研究现状 1 、国内外高速连接器的发展概况 国外高速电连接器的研制起步早、发展快、体积小、密度高，其系列化、标 准化程度较高，技术比较成熟。如a m p 公司的z - p a c k 电连接器、i r l t l l 的t e m - p u s 电连接器、e r n i 公司的e r m e t 2 m m h m 、e r - m e t z d 电连接器等，电子工业联合 会( e i a ) 和国际电工委员会( i e c ) 分别制定了电连接器的相关标准。目前，国 外高速连接器主流产品的信号传输速率已经达到1 2 5g b p s 。随着技术的进步，不 断在新产品的研发方面取得了新的突破，朗讯技术公司的贝尔实验室与全球著名 的f c i 连接器公司合作，使用贝尔实验室的信号传输架构和f c i 公司的a i r m a xv s 高速连接器系统，已经成功地在背板上传输达到2 5g b p s 的信号数据传输速率。国 内高速电连接器的研发起步较晚、发展较慢。直到上世纪的9 0 年代时，国内的电 连接器相关部门才开始进行高速电连接器的研制。最近几年，国内通过仿研或改 研国外的高速率系列产品，例如z d 、6 1 0 7 6 1 0 1 、r d 等，积累了丰富的研发经验， 现在国内的高速电连接器的研制已经进入快速发展时期。但是，相对于国外的高 速率电连接器的技术发展来说仍存在很大差距。 图1 5p g a 、d i p 、b g a 封装插座 目前高速连接器的设计主要集中在封装到p c b 上的互连和板与板之间的互 第一章绪论 连。封装到p c b 板上的互连代表i c 封装和印刷电路板之间的互连，以i c 插口为 代表。一些重要的接口种类包括单列直插封装插座( s i p ) 、双列直插封装插座 ( d i p ) 、z 形直插式封装插座、引脚格栅阵列插座( p g a ) ，球栅阵列插座( b g a ) ， 接点格栅阵列插座( l g a ) 和弹簧插座。图1 5 显示封装到p c b 板互连的一些类 型插座【3 9 4 0 1 。 在微处理器封装发展的早期，i 0 连接是外围设备，因此典型使用的是d i p 和 s i p 型插座。后来发现在p g a 和b g a 中使用面阵列封装( a a p ) 可以获得更高的 i o 连接，随后又发现在中高端系统中l g a 插座也具有一定的潜力。l g a 插座提 供与b g a 和p g a 插座同等或更高的密度，并且对于返工这个缺陷，具有在制造 上更加简单的优点。例如，1m m 引脚接触间距设计的l g a 能在4 2 5m m 2 模型上 获得1 6 8 1 个线路，而在相同的面积内p g a 典型的设计是使用2 5m m 引脚接触间 距能获得仅仅2 8 9 个线路 4 1 - 4 2 1 。在l g a 插座中典型引脚数量设计范围从1m m 到 1 2 7m m 。在l g a 技术中模块侧板和印刷电路板之间的互连是通过一个导电插槽 提供的。可用的插槽技术包括导电弹簧设计和金属橡胶复合设计等等。 根据e l e c t r o n i cn e w s 的文章【4 3 1 ，板对板连接器代表了近7 4 高速连接器的需 求，预测以1 8 5 的复合增长率( c g r ) 增长。板对板连接器一般分为两个级别：1 ) 底板到子卡连接器，可用于提供与印刷电路板之间的高密度直角接口。2 ) 夹层连 接器，可用于印刷电路板并行连接的高密度连接器。夹层连接器通过帮助在夹层 或模块卡上重新布置高引脚数设备来简化主板上的路径。 在电路板堆叠应用中，对侧板连接器的需求日益增长，尤其在便提式装置中 对小引脚间距连接器有更为重要的需求 4 4 j 。c o r b i n 建议将l g a 技术作为板对板连 接器的一个应用。用l g a 技术可以帮助侧板在匹配电路板之间获得最小错位。在 表1 2 总结了当今在工业中通常使用的一些背板连接器的密度、速度、串扰和信 令模式。 表1 2 一些通常使用的连接器密度、g b p s 弓l 脚、信号模式和串扰 连接器信令模式数据率串扰密度插入力引脚 t e r a d y n e s v h d m h s d差分5g b p s2 3 8 差分对英寸4 0 克信号 ( 8r o w ) t e r a d y n e s 单端 2 5g b p s 少于5 1 0 1 信号英寸4 0 克信号 v h d m ( 8r o w ) m o l e x sg b x 差分 6 - 1 0g b p s少于5 6 9 差分对英寸 从表中可知，m o l e x sg b x 连接器可以在每英寸6 9 个差分对的引脚密度时获 a c 稍合连接器的信号完整性分析 得6g b p s 到1 0g b p s 信号速度。在下一代有机芯片封装技术中可实现2 0 2 5 岫 线宽、带有8 0 岬带状焊盘的微过孔，在封装中应用这些技术可以有效的集成高 密度芯片。将来在印刷电路板上能期望看见2 5 5 0g m 线宽和5 0 7 5i x m 微过孔【4 6 1 。 背板通常作为包括电信交换机、路由器、数字交互连接和多处理器系统等典 型的连接板。通信和计算处理系统有公用一些共同背板的需求，典型的通信通常 需要2 0 4 0 英寸的带有两个连接器的背板。图1 6 显示了板对板的连接。背板通信 和背板计算应用对性能的需求不同。表1 3 总结了背板上板对板高速串联链接的一 些通常使用的电信号的标准 4 7 】。 予卡 子告 背板 图1 6 板对板串联连接 表1 3 板对板高速串联连接的信号标准 标准 数据率链路应用 p c ie x p r e s s2 5g b p s 网络 r a p i d l o 3 1 2 5g b p sd s p ，无线 i n f i n i b a n d3 1 2 5g b p s 计算机组，服务器 x a u i3 1 2 5c b p s数据通讯 s t a rf a b r i c2 5g b p s 嵌入式测试装置 e t h e m e t 1 0 g b p s 网络 2 、接触式连接器存在的问题 作为系统互连的主要组成部分，为了传输高速数字信号，连接器的功能及质 量好坏对系统的影响极大，高速连接器的设计也变得越来越困难，总的来说，高 速电连接器应满足以下6 个方面的要求：1 ) 高密度、小型化；2 ) 系列化、标准 化；3 ) 高可靠、长寿命；4 ) 耐环境技术；5 ) 低压差分信号传输技术；6 ) 滤波 技术。 i c 封装安装在子板上，子板依次安装在较大的母板上。传统上，背板和i c 插 第一章绪论 座工业采用压配式设计，这种设计很容易实现可靠的大规模组装，但是这种互连 方式为了与引脚匹配，需要一个电镀通孔过孔( p t h ) 区域，这会使引脚处产生阻 抗不连续，导致反射和返回路径中断，增加了返回路径中的电感和串扰，在g b p s 速率时尤为明显【4 8 4 9 】。电镀通孔过孔相对于微过孔有较高的容性寄生参数，并且 在设计高密度板时会产生没有用的桩线，这些桩线在高频时也将导致串扰。 机械匹配连接器和插座由于插入力和重复使用也将遭受磨损和扭折，这限制 其在更高引脚数上的应用。另外插入力使引脚还将遭受老化问题的影响【5 0 。”j 。为 了解决上述问题，m i l l e r 利用黄金的内部残余应力形成伸出平面的引线形状p 2 | ， 用静电驱动控制电子信号的连接；l a r s s o n 利用非平面引线和自我调节机械结构制 造在线可分离电连接器，通过使用硬的c o a u 合金来改善引脚的磨损情况【5 弘”j 。 虽然前面几种方法能带来一些改进，但是仍然不能根本解决由磨损和氧化造成的 影响。 目前也出现了某些显示出较好性能的连接器技术，例如表面贴装和压缩贴装 技术【49 1 。一个使用表面贴装的连接器终端与在p c b 表面上的焊盘接触，盲微孔阵 列能被使用在p c b 上远离信号引脚的路径上。由于盲微孔有较低的寄生参数并且 消除桩线，它可以改善信号完整性问题。表面贴装背板连接器提供的电的优势超 过传统的压配式设计，但是表面贴装连接器技术也要面对的一些问题，它们将遭 受共面问题的影响，机械强度和可靠性较差，稳定性较低，并且没有大规模装配 技术【49 | 。在通常背板环境中表面贴装连接器的焊点能够承受的机械应力的能力是 使用表面贴装技术的最大障碍。到目前为止，表面贴装连接器的商业运用很少， 只有当性能优势明显大于成本和风险顾虑时才偶尔使用。所以机械耐用性是表面 贴装连接器的最大威胁。 3 、a c 耦合互连的优势与发展现状 1 ) a c 耦合 能运行多g b p s 信号的高带宽互连系统是目前许多团队正在研究的课题 5 引。对 于高数据率可以通过源匹配技术来限制时钟错位【56 | ，用小摆幅差分技术提高切换 率和每比特功率，用均衡补偿趋肤效应【5 7 】。研究人员也寻找不同的方法来增加互 连密度【5 引。这些互连方案的一个共同方面是每个i o 依赖直接的、机械的路径。 每个i o 依靠直接路径限制了获得高密度引脚和球栅阵列，并且存在高密度焊点会 产生返工和适配性问题【5 9 j 。所以接触式的插拔设计严重地降低了连接器的机械可 靠性和信号传输能力，缩短了连接器的使用寿命。互连半导体技术标准( i t r s ) 预计将来高性能系统需要4 0 0 0 + 弓1 脚，当前技术不能达到这种密度要求【加】。a c 耦 合互连( a c c i ) 可以达到并远超过这个目标。 a c 耦合能通过一个没有直接物理接触的界面传输信息，所以a c 耦合互连将 a c 耦合连接器的信号完整性分析 比传统的接触式互连有更好的抗氧化、防磨损的能力和更高的机械可靠性，能增 加连接器的使用寿命、提供更加稳定的信号传输；另外非接触也使a c 耦合互连能 提供