高速连接器选择：深入了解信号完整性

对于所有硬件，尤其是连接器，这会导致严重的问题。连接器不仅仅是一个简单的开关。它是传输线路的重要组成部分。如果连接器的信号丢失，系统就会发生故障。选择高速连接器需要彻底了解信号完整性的物理原理。这需要超越简单的电气额定值。

高速连接器带宽

频率等于速度。信号上升时间随着数据速率的增加而缩短。这些快速边沿信号必须干净地通过连接器。高速连接器带宽由这种能力定义。此带宽是连接器持续稳定工作的频率。此规格至关重要。

损耗是问题所在。高频会导致连接器结构损失大量能量。介电损耗和导体损耗是造成这种损耗的两个主要原因。连接器的塑料主体会发生介电损耗。损耗发生在金属触点处。工程师必须最大限度地降低这两种损耗。为此，必须选择低介电常数和低损耗因数的材料。此外，必须使用由高导电性金属制成的触点。

连接器现在工作在非常高的频率下。因此，连接器的功能类似于滤波器。信号被衰减或削弱。插入损耗 (IL) 测量的是这种衰减。设计高速连接器的主要目标是最大限度地降低插入损耗。连接器必须对信号不可见。这一要求将制造公差推到了极限。

差分阻抗匹配设计

大多数现代高速协议都使用差分信号。这种信号使用两根线而不是一根线。信号是两根线上电压的差分。这种方法可以消除噪声，提高对外部干扰的免疫力。但连接器必须保持这种平衡。

差分阻抗匹配是关键因素。该阻抗必须与PCB走线的阻抗精确匹配。标准走线的阻抗差通常为 100 欧姆。连接器必须提供不间断的 100 欧姆路径。任何阻抗变化都会导致反射。反射产生的能量会返回到信号源。这些能量会降低数据质量并产生信号抖动。

在微型连接器内保持这种阻抗是一项挑战。接触针彼此靠近。路径的电容和电感受其几何形状的影响。电磁场求解器对工程师至关重要。这些工具可以模拟针脚结构。它们可以确保在整个插配区域阻抗保持恒定。镀层厚度或针脚间距的细微变化都可能破坏阻抗匹配。因此，需要严格的制造质量控制。

连接器主体的材料也很重要。针脚周围的有效介电常数必须保持不变。适当的阻抗分布在一定程度上取决于这种恒定性。连接器必须被视为一段微小的传输线，而不是一个组件。

串扰抑制：保持信号隔离

当许多高速信号彼此相邻时，就会发生干扰。这种干扰称为串扰。当一条信号线的能量耦合到相邻的线路上时，就会发生串扰。这种耦合会注入不必要的噪声。这种噪声会导致接收器出现错误。因此，串扰抑制是高密度连接器的主要设计要求。

串扰有两种类型：近端串扰 (NEXT) 和远端串扰 (FEXT)。这两种类型都必须得到控制。抑制串扰主要通过物理设计来实现。这种设计包括使用接地引脚或屏蔽层。信号对之间的接地引脚起到屏障的作用。它们吸收耦合能量y。此策略可减少噪声传输。

差分信号本质上会抑制串扰。由于噪声会均等地耦合到线对的两条线上，因此会发生这种情况。接收器会检查电压差。由于噪声处于共模状态，接收器会忽略该噪声。然而，串扰仍然会导致模式转换。当耦合不均等时，就会发生这种情况。差分噪声就是由这种不均等耦合引起的。

设计人员使用的一种技术是降低接触点。此外，他们还采用优化的接地结构。这些方法可以降低耦合的影响。在高密度应用中，控制串扰通常比控制插入损耗更困难。信号完整性和引脚密度是平衡的。

TDR 测试连接器：验证是关键

虽然理论至关重要，但物理验证也必不可少。为了验证连接器的性能，我们采用了时域反射法 (TDR)。作为 TDR 测试连接器程序的一部分，沿传输路径发送一个电压阶跃。它会跟踪反射信号随时间的变化。

TDR 图显示了连接器路径上的阻抗变化。完美的连接器会显示一条与系统阻抗相对应的平线。任何下降或上升都表明连接器不匹配。这种差异可能导致信号反射和衰减。TDR 测试可帮助工程师精确定位阻抗问题的位置。它可能是接触点本身、焊点或引脚过渡。

认证需要进行TDR测试，该测试可以直观地显示连接器的电气质量，是故障分析的有力工具。如果系统出现间歇性错误，TDR可以确定问题是否由连接器引起。现代TDR设备在高速设计实验室中至关重要，因为它们精度高，能够分辨极短距离内的微小阻抗变化。

技术框架

选择合适的高速连接器涉及多个步骤。确定系统要求后，需要进行物理验证。这种系统性的方法正是工程师应该做的。

首先确定系统速度。这将确定高速连接器的最低带宽要求。应始终选择带宽大于基波信号频率的连接器。

其次，定义电气环境。这需要确定必要的差分阻抗匹配。所选连接器需要经过此阻抗的认证。匹配必须由记录的TDR图支持。
第三，考虑外形尺寸和密度。高密度时更容易出现串扰。因此，对于相邻线对，必须检查已发布的串扰性能，尤其是远端串扰 (FEXT)。这可确保连接器在安装到电路板时满足信号完整性要求。

第四步，检查机械完整性。高速连接器可能很脆弱。它们需要坚固的机械部件。检查插拔次数。验证保持力和振动规格。电气稳定性取决于机械完整性。

最后，执行验证。在原型环境中使用 TDR 测试连接器。检查连接器、PCB 走线以及整个通道。这项实际测试可验证系统组件选择的准确性。

高速互连的未来

人们对速度的需求持续增长。因此，行业被迫采用新技术。

转向低损耗塑料和更薄材料是一个重要趋势。这些材料增强了高速连接器的带宽，减少了电介质损耗。对于超过 100 Gbps 的速度来说，这一点至关重要。

连接器与有源元件的集成是另一个趋势。用于重定时和主动均衡的芯片可以安装在连接器附近。在信号进入电缆或背板之前，这些芯片会对其进行净化。这项技术可以扩大铜缆的有效传输范围。

超长距离传输的终极解决方案是光互连。光纤电缆在长距离传输中几乎实现零损耗。光连接器将电信号转换为光信号，然后再转换为光信号。这种转变有助于解决与电信号衰减相关的5G连接器挑战。工程师必须做好准备，迎接这些新技术。

结论

选择高速连接器是一项重要的工程决策。它决定了系统未来的可扩展性和性能。其基本理念是强大的串扰抑制、精确的差分阻抗匹配和低插入损耗。利用诸如TDR测试连接器之类的资源，可以确保所选组件满足应用的实际需求。工程师可以通过理解这些技术深度，创建可靠的高带宽系统，为即将到来的数据速度做好准备。

下一步： 查阅我们核心连接器支柱指南，获取深入的解决方案。选择最适合您特定项目需求的连接器。

关于作者

我是金鑫阳科技的一名工程师，专注于集成电路芯片的研究。我致力于探索各种芯片技术的协同工作。我的公司金信阳利用尖端技术提供卓越的IC芯片解决方案，为您的设备打造强大而稳定的核心。