High-Speed-Cable-高频基本知识简介

High Speed Cable 高频基础知识简介January17,2014JetShen„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)、Propagationdelayskew、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?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----dBdB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。DUTSOURCELOADVsRsVinRinVOUTRLPV∝2„高频的概念----上升时间（Risetime）&频宽（width）上升时间(Rise time)信号上升时间﹕信号经过传输器件或通路的最快上升沿所对应的时间。通常指10%振幅至90%振幅(上,下沿的过冲量不计)间的时间„高频的概念----上升时间（Risetime）&频宽（width）带宽与上升时间的关系带宽﹕信号内所含的最高有效频率分量.tr (Rise Time)90%10%Ideal SignalReal Signal„高频的概念----上升时间（Risetime）&频宽（width）被测上升时间ttrt22儀表被測+=t被测=被测上升时间tr=信号上升时间t仪表=测量仪表的上升时间9信号带宽越宽﹐含谐波分量越多﹐合成的波形就越陡峭﹐即tr越短。9带宽大的传输线可承载更高频率的信号﹐因而有更高的数据传送量。9仪表应有的上升时间应小于被测件的上升时间。9测量上升时间使用的仪表,若其上升时间小于被测上升时间的2倍,产生的误差约10%;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。ZRjLGjCo=++ωω1.  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。ZRjLGjCo=++ωωReactance有两种：Inductivereactance(XL=ωL)感抗Capacitivereactance(Xc=1/ωC)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τφ∠==VVTincidentdTransmitte插入损耗τlog20VVlog20IncidentonTransmissi−=−DUTVIncidentVTransmitted„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。18100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SkewTimeIllustrationofskewfor4parallelLineInput SignalDelayOutput SignalOutputSignalInputSignalTpd(propagationdelay)=L/vL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(EyePattern):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,“EYE”越小•损耗&噪音越多,“EYE”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----TDRTDR --Time Domain Reflectometry测试产品举例:¾SATACable¾USB3.0Cable¾MiniSASCable¾Mini-SASHDCable¾PCIeCable¾SFP+Passive&ActiveCable¾QSFP+Passive&ActiveCableTektronixDSA8300+TDRModule„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----VNAVNA --Vector Network Analyzer测试产品举例:¾RFConnector,Antenna¾SATACable¾USB3.0Cable¾MiniSASCable¾Mini-SASHDCable¾PCIeCable¾SFP+Passive&ActiveCable¾QSFP+Passive&ActiveCableAgilentPNA-LN5230CNetworkAnalyzer„高频与制程的联系----InfiniBand Cable制程crosstalkImpedance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)Impedance  (铆接压力过大)„高频与制程的联系----InfiniBand Cable制程DifferentialImpedanceWhenZdiff109ΩorZdiff91Ω•Identifypotentialproblemsasillustrated•ReporttoQCtocheckprocess•Checktestfixtureandsetup(risetime)1.ExcessiveALfoilstrippingHigherImpedancecausedbyexcessiveALfoilstripping2.Termination:ExcessivesolderLowerImpedancecausedbyexcessivesoldermaterial3.CompressedpairnearcrimpingLowerImpedancecausedbycompressedpair„高频与制程的联系----DVI Cable制程外模成型磁环成型磁环成型压力过大造成特性阻抗降低外模模具挤压造成特性阻抗降低焊点大造成特性阻抗降低芯线分开造成特性阻抗偏高3.外模模具压力过大1.焊点锡量多寡2.剥signal pair铝箔尺寸过大4.磁环成型压力过大连接创新,成就未来SmartLink,BrightFuture