如何防止連接器損壞高速信號

保持信號完整性（SI）并防止連接器損壞高速信號需要仔細關注設計細節，如阻抗匹配、最小化反射、減少串擾以及確保正確端接。這始于定義特定的信號速度和帶寬要求，并選擇最佳的連接器。

高速信號的定義相對于應用而言，并且隨著時間的推移，在許多情況下它正在不斷增加。例如，在當今的數字電子應用中，高速信號被定義為≥10 Gbps。在某些應用中，分界線正朝著 100 Gbps 或更高的方向發展。

最佳高速連接器的識別取決于應用因素，如工作環境、所需帶寬、安裝要求等。許多連接器設計用于滿足特定的行業標準。一些標準連接器包括（ 圖 1）：

• 光纖傳輸提供最高速度，通常>1 皮比特每秒，并且具有很強的抗電磁干擾（EMI）能力。眾多選項中的兩個例子包括用于高密度網絡的高速 LC 連接器和高帶寬數據中心安裝的 MPO 連接器。

  
  

• 背板優先考慮低插入損耗和高信號完整性（SI）。例如 Amphenol 的 Paladin HD 和 EXAMAX2、TE Connectivity 的 IMPACT、MULTIGIG RT 以及 Samtec 的 ExaMAX。

  
  

• 中繼連接器是專為高密度、高性能應用中堆疊并行 PCB 設計的板對板專用互連。一些選項包括 Samtec 的 SEARAY?、Molex 的 HD Mezz 和 TE Connectivity 的 Mezalok。

  
  

• 射頻/同軸連接器有多種行業標準，如 SMA、SMPM 和 BNC，專為毫米波系統和射頻測試優化。

圖 1. 軍用、航空航天和空間應用中高可靠性、高頻連接器的示例。（圖片：Air Electro）

高速信號連接器的選擇、集成和系統測試重點在于優化信號完整性。最佳信號完整性對于維持數據質量和時序至關重要。高速信號的關鍵信號完整性指標包括眼圖指標（高度、寬度、抖動）、S 參數（也稱為散射參數）如插入損耗和回波損耗，以及阻抗控制。

例如，將連接器的差分阻抗（通常為100 Ω或85 Ω）與系統匹配有助于最小化插入損耗和串擾，并確保足夠的帶寬。連接器的差分阻抗測量的是一對由等幅、反相信號驅動的連接器引腳/接觸點傳輸的高速電信號的損傷程度。

對于 USB、HDMI 和 PCIe 等高速系統，優化是防止信號反射的關鍵，通過匹配 PCB 走線的阻抗來實現。匹配的精確度可以有一定的靈活性。

差分阻抗只是需要考慮的一個因素。 圖 2 是一個差分通道的時域反射計（TDR）圖。它繪制了信號在 PCB 之間使用匹配連接器和一條 12 英寸電纜傳輸時隨時間變化的阻抗，展示了不同通道阻抗（85 Ω、92.5 Ω和 100 Ω）如何影響 PCIe 5.0 參考系統內的信號完整性。

圖 2. 使用三種電纜阻抗比較 PCIe 5.0 通道性能。（圖源：Semtech）

這項測試使用 12 皮秒的信號上升時間，測試設置包括 2 英寸的 PCB 部分和 12 英寸的電纜，以及一個 93 Ω的配合連接器。顯示了三種不同的總信道阻抗：85 Ω（紅線）、92.5 Ω（綠線）和 100 Ω（藍線）。

該圖顯示了在不同信道點阻抗匹配和信號反射的影響。電纜阻抗的選擇取決于特定設計的優先事項。例如，如果插入損耗是最重要的考慮因素，那么93 Ω或100 Ω的電纜可能是最佳選擇。

設計師使用眼圖來可視化高速互連的性能。眼圖展示了如何通過模擬或測量從 S 參數得到的信道脈沖響應，來模擬或測量碼間干擾（ISI）、抖動和噪聲對高速信號的失真。所得眼圖顯示了插入損耗（垂直閉合眼圖）和抖動（水平閉合眼圖）的累積效應。

眼圖常見的用途包括驗證信號質量和確認標準合規性。S 參數，如用于插入損耗的 S21 和用于回波損耗的 S11，用于描述信道的頻率響應。可以使用采樣示波器或高帶寬實時數字示波器來測量和分析眼圖。設計仿真工具可以通過逆快速傅里葉變換（IFFT）將 S 參數轉換為時域，以確定數字脈沖的失真情況（ 圖 3）。

圖 3. 眼圖可用于通過仿真（上圖）測量高速互連的性能，以及測試物理設計實現。（圖源：MathWorks）

為先進數字和通信系統設計高速互連時，正確的規格說明、選擇和設計依賴于連接器的性能。有多種類型的連接器可供選擇，它們能為各種應用提供最佳帶寬。仿真和測試是重要的考慮因素，以確保設計性能與實際交付性能一致。