中心議題：

• 並發開關噪聲
• 互感的計算
• 提取連接器的環路互感
• 減小互感
• 對連接器廠商提供參數的評估

zaigaosudianlushejizhong，zhongguoshejigongchengshitongchangbushitebielejielianjieqidehugantexingzaigaijinxinhaowanzhengxingshejizhongdezuoyong，benwenjiangtantaolianjieqishejihexuanzezhongzuinanjiejuedewenti：並發開關噪聲，並且揭示並發開關噪聲對高性能係統中使用的連接器和封裝規格指標的影響。

人們總是認為係統中所有的工作都是由IC來完成的
，當然也包括相應的軟件。而類似於IC封裝、電路板
、連接器、電(dian)纜(lan)以(yi)及(ji)其(qi)它(ta)的(de)離(li)散(san)元(yuan)器(qi)件(jian)等(deng)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)隻(zhi)會(hui)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)

，擴(kuo)大(da)係(xi)統(tong)尺(chi)寸(cun)和(he)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)。所(suo)以(yi)，係(xi)統(tong)中(zhong)互(hu)連(lian)以(yi)及(ji)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)選(xuan)擇(ze)和(he)設(she)計(ji)實(shi)際(ji)上(shang)就(jiu)是(shi)將(jiang)這(zhe)些(xie)成(cheng)分(fen)對(dui)係(xi)統(tong)造(zao)成(cheng)的(de)影(ying)響(xiang)降(jiang)到(dao)最(zui)低(di)。因(yin)此(ci)大(da)多(duo)數(shu)的(de)IC設計師通常將係統中不連接的所有部分(這通常是PCB設計師所涉及的內容)歸結為寄生成分這樣一個籠統的範疇

                                                      
                                                             圖1：四種最主要的高速電路問題

選擇IC器件時
，除了選擇合適的元器件以外，後續的電路板布局布線工作還要符合下列設計規則：

1. 受控阻抗的PCB線
；
2.分支線上的信號延時小於最快信號上升時間的20%；
3. 不連續性時間延時小於最快信號上升時間的20%；
4.相鄰PCB線具有足夠的間距，確保信號串擾控製在可以接受的電平上；
5. 合理的PCB分層設計確保相鄰的電源和地平麵層之間的介質很薄


；
6.每一個信號線下麵都有連續的信號返回路徑。

即便PCB的布局布線做得非常好
，事情仍然沒有那麼簡單。高性能係統中的每一個成分都需要優化
，確保符合整個係統在成本、性xing能neng和he開kai發fa進jin度du等deng方fang麵mian的de要yao求qiu。高gao性xing能neng的de係xi統tong設she計ji是shi一yi個ge環huan環huan相xiang扣kou的de鏈lian，每mei一yi個ge環huan節jie都dou必bi須xu符fu合he要yao求qiu
，方fang能neng保bao證zheng整zheng個ge係xi統tong符fu合he產chan品pin性xing能neng規gui範fan。

係統中的其它因素將如何影響係統性能？可能的問題通常可以歸結為兩種類型：時序問題和噪聲問題。信號完整性既包括時序問題也包括噪聲問題，然而噪聲問題更顯突出。

圖1所示為互連和元器件導致的信號完整性問題的四種類型：

1. 單根網絡的信號質量；
2. 兩根或者更多網絡之間的信號串擾
；
3. 電源分布係統中的噪聲；
4. 係統中元器件對外的電磁輻射。

除非特別關注，並且項目一開始就著手考慮了這些問題，否則上述四種類型的問題就會出現在高速產品中。本文將探討連接器(也包括IC封裝)的設計和選擇中最難解決的問題：並發開關噪聲(simultaneously switchingnoise)，並且揭示並發開關噪聲對高性能係統中使用的連接器和封裝規格指標的影響。

並發開關噪聲

對連接器和IC封裝來說，開關噪聲方麵的高速性能要求是最難滿足的。開關噪聲屬於信號串擾
，主要是由於連接器和IC封裝中相鄰環路(由信號與返回路徑構成)之間的互感導致的。要使開關噪聲幅度最小，必須確保相鄰的信號路徑環路之間的互感小於一個允許的最大值。

                                                            
                                                                     圖2：測量BGA封裝中的並發開關噪聲。
[page]
當信號通過連接器或者IC封裝傳播時，信號的波前(信號波形中跳變的成分)通(tong)過(guo)信(xin)號(hao)管(guan)腳(jiao)構(gou)成(cheng)一(yi)個(ge)電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)，就(jiu)會(hui)耦(ou)合(he)並(bing)且(qie)返(fan)回(hui)到(dao)信(xin)號(hao)的(de)返(fan)回(hui)管(guan)腳(jiao)上(shang)。每(mei)一(yi)個(ge)信(xin)號(hao)和(he)對(dui)應(ying)的(de)返(fan)回(hui)路(lu)徑(jing)都(dou)可(ke)以(yi)構(gou)成(cheng)一(yi)個(ge)相(xiang)似(si)的(de)環(huan)路(lu)。在(zai)任(ren)何(he)兩(liang)個(ge)信(xin)號(hao)及(ji)其(qi)返(fan)回(hui)路(lu)徑(jing)構(gou)成(cheng)的(de)環(huan)路(lu)之(zhi)間(jian)都(dou)存(cun)在(zai)一(yi)個(ge)環(huan)路(lu)互(hu)感(gan)。

一個環路中的電流發生變化時，就會在另外一個靜止(信號電流沒有變化)的環路中感應出信號噪聲。而當多個變化的信號線並發開關時，通過互感耦合到靜止環路的噪聲就會互相累計，因此稱為“並發開關噪聲”。圖2所(suo)示(shi)為(wei)五(wu)個(ge)數(shu)據(ju)線(xian)並(bing)發(fa)開(kai)關(guan)時(shi)測(ce)量(liang)到(dao)的(de)一(yi)個(ge)靜(jing)止(zhi)信(xin)號(hao)線(xian)上(shang)的(de)並(bing)發(fa)開(kai)關(guan)噪(zao)聲(sheng)。在(zai)這(zhe)個(ge)實(shi)例(li)裏(li)，靜(jing)止(zhi)信(xin)號(hao)線(xian)上(shang)的(de)噪(zao)聲(sheng)是(shi)由(you)該(gai)靜(jing)止(zhi)環(huan)路(lu)與(yu)所(suo)有(you)五(wu)個(ge)變(bian)化(hua)的(de)環(huan)路(lu)之(zhi)間(jian)的(de)互(hu)感(gan)而(er)造(zao)成(cheng)的(de)。

互感的計算

采用簡單的模型可以很方便地估算出兩個信號環路之間允許的最大互感值。進一步討論如何計算實際連接器中相鄰環路之間的互感。

dangxinhaotongguolianjieqideyigeguanjiaoduishi，zaibianhuadexinhaotonglushang，xinhaodeboqianchuhuichuxianxinhaodianliudeturanbianhua。bianhuadedianliuhuidaozhidianyazaoshengbingqieganyingdaoxianglindejingzhixinhaohuanlushang
，zhezhongganyingshiyouyulianggehuanluzhijiancunzaidehuganyinqide。zhezhongjingzhixinhaoxianshangganyingchulaidezaoshengchengzhiweikaiguanzaosheng，zheshiyouyuzhezhongzaoshengzhiyoudangdianyahuozhedianliuchuyukaiguanzhuangtaishicaihuichuxian。

在靜止環路中感應出的電壓噪聲可以近似為：

                                                                    
表達式各項的意義為：Vn，靜止環路中的噪聲
；Lab，變化環路和靜止環路之間的互感；△Ia，變化環路中的電流變化
；Za
，在變化環路與靜止環路的視在阻抗

；Va，變化環路中的信號電壓；△t是信號的上升時間
，表明電流開關的快慢。

選擇連接器或者IC封裝唯一可以影響的就是環路之間的互感
，而環路中信號視在阻抗通常都在50歐姆左右，該阻抗值與上升時間及信號電壓一樣都是係統規範的一部分。

允許的開關噪聲幅度取決於噪聲分配。開關噪聲通常應該小於信號擺幅的5%到10%，當然噪聲的分配也取決於工程師的設計技巧，以及由誰來負責選擇連接器或者IC封裝。優秀的信號完整性工程師的談判代表非常清楚：要(yao)找(zhao)到(dao)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)低(di)互(hu)感(gan)的(de)連(lian)接(jie)器(qi)或(huo)封(feng)裝(zhuang)將(jiang)是(shi)多(duo)麼(me)的(de)困(kun)難(nan)，所(suo)以(yi)他(ta)會(hui)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)爭(zheng)取(qu)一(yi)個(ge)更(geng)寬(kuan)鬆(song)的(de)互(hu)感(gan)指(zhi)標(biao)，這(zhe)樣(yang)做(zuo)的(de)結(jie)果(guo)勢(shi)必(bi)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)其(qi)它(ta)部(bu)分(fen)的(de)規(gui)格(ge)更(geng)加(jia)嚴(yan)格(ge)。

首先可以使用如下的值來開始這種估算：

首先可以使用如下的值來開始這種估算：Vn/Va =5%，Za=50歐姆
，t=0.5ns

，由上述公式可計算出允許的最大互感值是1.2nH。

                                                                
                                                                     圖3：連接器管腳的三維實體模型

確定上述應用假設條件後，就相當於對連接器或封裝的信號路徑之間允許的互感值施加了約束條件。當然，在時間
、成(cheng)本(ben)費(fei)用(yong)以(yi)及(ji)產(chan)品(pin)風(feng)險(xian)之(zhi)間(jian)權(quan)衡(heng)並(bing)且(qie)實(shi)施(shi)資(zi)源(yuan)分(fen)配(pei)之(zhi)前(qian)，優(you)秀(xiu)的(de)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)應(ying)該(gai)運(yun)用(yong)更(geng)加(jia)完(wan)善(shan)而(er)全(quan)麵(mian)的(de)係(xi)統(tong)級(ji)仿(fang)真(zhen)來(lai)考(kao)察(cha)究(jiu)竟(jing)多(duo)大(da)的(de)互(hu)感(gan)可(ke)以(yi)確(que)保(bao)設(she)計(ji)成(cheng)功(gong)，並(bing)且(qie)不(bu)會(hui)對(dui)係(xi)統(tong)造(zao)成(cheng)過(guo)多(duo)的(de)負(fu)擔(dan)。因(yin)此(ci)，上(shang)麵(mian)的(de)估(gu)算(suan)僅(jin)僅(jin)是(shi)一(yi)個(ge)最(zui)初(chu)的(de)預(yu)期(qi)值(zhi)

shishishang，shangshugusuanguogaodigujileyunxudehuganzhi
，zheshiyinweijiashejingzhixinhaoxianshangdezaoshengjinjinshiyouyigenxianglindebianhuaxinhaolujingdexinhaobianhuazaochengde。shijideqingkuangxia
，tongchangkenengyouduogexinhaolujingbingfabianhua，qizhongmeiyigekaiguandexinhaolujingdouhuiduijingzhixinhaoxianchanshengbingfakaiguanzaosheng。genjulianjieqidesheji
，xinhaoguanjiaozhijianshijiyunxudehuganzhitongchangzhiyoushangmiangusuanzhideyibandaowufenzhiyizuoyou。

連接器管腳對之間或封裝引線對之間的互感值為1.2nH是不是太大？我們來看一個具體的實例，就會發現1.2nH實際上是一個很小的值，而對於實際的連接器或封裝需要做許多艱苦的工作才有可能減小該數值。

提取連接器的環路互感

在普通2mm間距的連接器模塊
，這種連接器典型的管腳長度大約是25mm左右。如圖3所示，評估互感的值，可以將連接器實際的物理設計轉換為保留導體所有幾何特性的三維實體模型。

采cai用yong三san維wei場chang提ti取qu工gong具ju從cong導dao體ti的de實shi體ti模mo型xing中zhong提ti取qu出chu局ju部bu的de電dian感gan矩ju陣zhen。有you關guan連lian接jie器qi電dian感gan特te性xing方fang麵mian的de問wen題ti都dou包bao含han在zai這zhe一yi個ge電dian感gan矩ju陣zhen中zhong。矩ju陣zhen對dui角jiao線xian上shang的de元yuan素su是shi其qi局ju部bu自zi感gan，而er不bu在zai對dui角jiao線xian上shang的de元yuan素su則ze是shi每mei管guan腳jiao對dui之zhi間jian的de局ju部bu互hu感gan。

20個管腳的連接器的完整電感矩陣如圖4所示。局部電感的概念在分析連接器和IC封裝的電氣性能方麵非常有效。一個信號與另一個相鄰的信號之間共用同一個返回路徑的情況很常見。管腳對1和2是變化的環路(信號會發生跳變)，而管腳對2和3則是靜止的環路(信號不發生變化)。
[page]
這兩個路徑之間的互感為：LAB=(L31-L32)+(L22- L21)-L22

                                                    
                                               圖4：連接器中的所有20個管腳的局部互感矩陣。

從場提取工具產生的表格中，可以找到該連接器的下述電感值：

L31=7.9nH
L32=10.9nH
L21=10.9nH
L22=19.9nH
L41=6.3nH
L42=7.9nH

根據上述數值可以計算出互感值是6nH。這就是共用同一個返回路徑的兩個信號路徑之間的互感值。與最初估算的1.2nH相比，6nH太大。如果應用在這樣的設計環境下，可以肯定該連接器不能正常工作。

當(dang)然(ran)
，如(ru)果(guo)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)理(li)由(you)確(que)實(shi)要(yao)在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)運(yun)用(yong)這(zhe)種(zhong)連(lian)接(jie)器(qi)，一(yi)種(zhong)辦(ban)法(fa)是(shi)確(que)保(bao)每(mei)一(yi)個(ge)信(xin)號(hao)都(dou)有(you)各(ge)自(zi)獨(du)立(li)的(de)返(fan)回(hui)路(lu)徑(jing)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，一(yi)個(ge)環(huan)路(lu)使(shi)用(yong)管(guan)腳(jiao)1和2
，而另一個環路則使用管腳3和4。兩個環路之間的互感如下計算：LAB =(L31-L32)+(L42-L41)

這樣計算出來的互感值是1.4nH。可ke見jian僅jin僅jin通tong過guo為wei每mei一yi個ge信xin號hao提ti供gong各ge自zi獨du立li的de信xin號hao返fan回hui路lu徑jing
，就jiu可ke以yi將jiang開kai關guan噪zao聲sheng減jian少shao四si倍bei。考kao慮lv到dao其qi它ta信xin號hao路lu徑jing信xin號hao同tong時shi變bian化hua的de可ke能neng性xing，可ke以yi看kan到dao即ji便bian是shi1.4nH這麼小的值仍然會產生3到5倍這麼大的開關噪聲。

現(xian)在(zai)已(yi)經(jing)非(fei)常(chang)清(qing)楚(chu)，對(dui)高(gao)速(su)設(she)計(ji)而(er)言(yan)，常(chang)規(gui)的(de)連(lian)接(jie)器(qi)按(an)照(zhao)常(chang)規(gui)的(de)用(yong)法(fa)顯(xian)然(ran)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)要(yao)求(qiu)。任(ren)何(he)可(ke)能(neng)降(jiang)低(di)管(guan)腳(jiao)對(dui)之(zhi)間(jian)互(hu)感(gan)的(de)可(ke)行(xing)方(fang)法(fa)都(dou)應(ying)該(gai)考(kao)慮(lv)。

減小互感

原則上可以采取兩種方法來減少連接器的互感。

1. 要確保盡可能短的路徑。Packard-Hughes公司的Gold Dot連接器、Thomas和Betts公司的Metal
Particle Interconnect(MPI)連接器就是采用了這種關鍵技術。而Tessera公司推出的CSP器件封裝的一個重要特征就是具有非常短的引線長度。

在這些技術中總的引線長度可以縮短到1mm。僅僅引線長度一項就可以將上麵實例中相鄰信號和返回路徑環路之間的互感減小為上述電感數值的二十分之一。

2. yaojiangdimeiyigexinhaoyuduiyingdefanhuilujingdetezhengzukang。huanluzhijiandehuganyuzuixiaohuanludeziganchengbili
，jianxiaoyigeguanjiaoduidehuanluziganjiudengyushijiangdixinhaotongludetezhengzukang。

SamTec公司的連接器就采用了這樣的技術，這種連接器采用又寬又短的引線作為返回路徑。因此，器件封裝向采用內部返回路徑層的BGA封裝轉移
，或者從單層金屬的TBGA向雙層金屬的TBGA封裝轉移。

congshangmiandeshilizhongkeyikanchu，xinhaohefanhuilujingguanjiaodefenpeitongyangyenengyingxiangzuizhongdexinhaolujingzhijiandehugan。duiyuyigequedingdelianjieqilaishuo
，guanjiaodexuanzekeyiyonglaiyouhuaxitongdexingneng。ranerruguojubeizugoudeguanjiaozuogengjialinghuodexinhaohefanhuilujingfenpei，namexitongshejigongchengshitongchangzonghuixuanzefenpeigengduodexinhaoguanjiao。

對連接器廠商提供參數的評估

假定已經對電路板設計進行了優化
，並且已經估算出相鄰信號環路之間允許的最大互感值，那麼，要告訴元器件廠商：所需要的連接器必須保證相鄰信號環路之間的互感值小於1nH。

連接器廠商和ICfengzhuangchangshangtongchangdouzaijixiegongchengheshengchanzhizaofangmianfeichangjingshen，danbushitebielejieyouguandedianqitexing，shenzhikenengbingbuzhidaotamenyinggaitigonglianjieqidehugantezheng。youdeshihou
，zhexieqijianchangshangyetigongguanjiaoduizhijiandechuanraodianyaxinxi。zhengruqianmiansuokandaodenayang，zhexiezhigenxinhaodeshangshengshijian



、阻抗以及信號和返回路徑對的分配都有很大關係。如果廠商給出特殊情況下的值與你的具體應用要求不一樣的話，該如何評估這些值？

用(yong)戶(hu)總(zong)是(shi)主(zhu)動(dong)去(qu)獲(huo)取(qu)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)精(jing)確(que)信(xin)息(xi)，即(ji)信(xin)號(hao)與(yu)返(fan)回(hui)路(lu)徑(jing)環(huan)路(lu)之(zhi)間(jian)的(de)互(hu)感(gan)。而(er)且(qie)應(ying)該(gai)向(xiang)元(yuan)器(qi)件(jian)廠(chang)商(shang)明(ming)確(que)提(ti)出(chu)這(zhe)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)個(ge)設(she)計(ji)指(zhi)標(biao)，如(ru)果(guo)元(yuan)器(qi)件(jian)廠(chang)商(shang)不(bu)提(ti)供(gong)這(zhe)些(xie)信(xin)息(xi)的(de)話(hua)
，你(ni)就(jiu)不(bu)能(neng)夠(gou)評(ping)估(gu)廠(chang)商(shang)提(ti)供(gong)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)能(neng)否(fou)在(zai)你(ni)的(de)設(she)計(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)
？

如果廠商提供了這些指標，也可以進一步地查明廠商是如何獲得這些參數的：shitongguocelianghaishitongguojisuan？ruguoshitongguoceliangfangfahuodedehua，changshangshifoucaiyongleyejiebiaozhundeceliangliucheng？ruguoshitongguojisuanhuodede，zhexiezhidehuodeshifoushiyizhongjinsi(就如同所有的計算公式一樣)？tashifoutongguochangtiqufangfahuode
？changshangshifoutigongrenhedezhichiwendangziliaolaizhengshitamendejianmoguochengfuheshijideqingkuangbingqietongshengchanzhizaodeyuanqijianxingnengxiangwenhe
？ruguochangshangbunengtigongzhexiexinxi，yinggaijianyigaichangshangcaiyongdulideshiyanshifuwuhuozheshiguwenfuwulaibangzhutamentigongzhexiexinxi。

zaizuihoudefenxizhong，yaoxuanzenaxiebujinnenggoutigongfuhenishejixitongyaoqiudexingnengzhibiao
，tongshiyenenggougeinixinxinbaozhengzainidexitongzhongkeyiyicixingchenggongdelianjieqichangshang。chanpinhegeyuziliaoqiquan、準確詳實同樣重要。