黑魔书第九章

高速数字电路设计教材yyyy-mm-dd日期：批准:yyyy-mm-dd日期：审核:yyyy-mm-dd日期：审核:yyyy-mm-dd日期：拟制:华为技术有限公司版权所有侵权必究目录249.9连接器的电源控制特性(POWER-HANDLINGFEATURESOFCONNECTORS)........229.8经过连接器的差分信号(DIFFERENTIALSIGNALINGTHROUGHACONNECTOR).............................................................229.7.3Teradyne多负载总线连接器(TeradyneMultidropBusConnector).................219.7.2Augat点对点连接器(AugatPoint-to-PointConnector)............................209.7.1AMPZ-Pack点对点连接器（AMPZ-PackPoint-to-PointConnector）............209.7用于高速信号的特殊连接器(SPECIALCONNECTORSFORHIGH-SPEEDAPPLICATIONS)...........................................................199.6.3常规阻塞(CommonModeChoke)...........................................189.6.2屏蔽(Shielding)..........................................................189.6.1滤波(Filtering)...........................................................189.6外部连接中如何满足EMI问题(FIXINGEMIPROBLEMSWITHEXTERNALCONNECTIONS)...........................................................159.5连接器布地的连续性(CONTINUITYOFGROUNDUNDERNEATHACONNECTOR).............................................................149.4.5匹配电阻(MatchingResistor)...............................................149.4.4模拟接收线的源端阻抗(SimulatedSourceImpendanceofReceivingLine)..........149.4.3发送线的终端阻抗(TerminatingImpedanceontheTransmittingLine)..............149.4.2脉冲发生器和源端阻抗(PulseGeneratorandSourceImpedance)..................139.4.1接地和信号管脚(GroundandSignalPins)....................................139.4连接器的耦合测量(MEASURINGCOUPLINGINACONNECTOR)..................129.3.5慢速总线(VerySlowBus).................................................129.3.4分布均匀的负载(Evenly-SpacedLoads)......................................119.3.3接受器和驱动器的电容(CapacitanceofReceiversandDrivers)...................119.3.2电路布线电容(CircuitTraceCapacitance).....................................119.3.1管脚到管脚的电容（Pin-to-PinCapacitance）.................................109.3寄生电容--多负载总线上的连接器（PARASITICCAPACITANCE--USINGCONNECTORSONAMULTIDROPBUS）.....................................69.2串联电感——连接器产生电磁干扰（EMI）的主要原因（SERIESINDUCTANCE--HOWCONNECTORSCREATEEMI）............................59.1.2地平面如何改变会流路径（HowGroundsAltertheReturn-CurrentPath）..........39.1共模电感（MUTUALINDUCTANCE--HOWCONNECTORSCREATE...............3第九章连接器（Connectors）......................................................内部公开高速数字电路设计2001-08-27版权所有，侵权必究第2页，共30页第九章连接器（Connectors）摘要：本章就连接器对系统所造成的信号干扰问题和EMI问题进行了原理性分析和理论计算，对我们所应关注的连接器的三个主要参数：共模电感、串联电感和寄生电容的产生机制和影响进行了深入的讨论。并就高速应用、多负载总线应用、差分信号应用、背板应用等各种应用场合的特点进行了分析。昀后，还讨论了一些新型的连接器。正文：信号速度越快，选用连接器就越困难。原因是多方面的。首先价格方面，常用的几十MHz的DIN连接器的价格比用于25GHz信号的手工装配的SMA连接器便宜100倍以上。为什么连接器之间的差异何以如此之大？本章介绍了高速连接器的重要特征。读完本章后，你将知道在你的应用中应考虑连接器的哪些特性并如何测试。影响连接器的速度的电系数包括：共模电感--导致串扰串联电感--降低信号速度并导致电磁干扰（EMI）寄生电容--降低信号速度9.1共模电感（MUTUALINDUCTANCE--HOWCONNECTORSCREATECROSSTALK）图9.1中的电流回路说明了简单的共模电感耦合。图中有三个电路路径X、Y、Z。从逻辑门A发出的电流将通过X返回A。由于X、Y、Z有交迭，X的磁场会给Y、Z信号带来噪声电压。在Y上的噪声会比Z上的噪声大，因为Y与X的交迭面积更大。即使没有交迭，两个相邻的电流回路也会相互影响，产生共模电感噪声。内部公开高速数字电路设计2001-08-27版权所有，侵权必究第3页，共30页图9.1连接器的共模电感连接器的管脚之间还存在寄生电容，在数字电路里它会导致串扰，不过影响比共模电感小一些。有的连接器表现为容性，有的表现为感性。9.４节说明了如何测量他们的耦合系数。现在我们先讨论电感。9.1.1串扰评估（EstimatingCrosstalk）我们可以利用第一章里提供的关系式来估计图9.1中任何管脚之间的信号干扰的大小。这种估计需要以下的三个参数：两个回路间的共模电感源信号昀大的变化率DI/dt接受网络的阻抗关于共模电感，为了估计昀大情况的干扰，我们只考虑直接交迭的两回路之间的相互影响，如X和Y。回路Y的总的磁通量由两个地方产生。首先是从逻辑门A沿着它的信号线流出的电流。其次是沿地线返回的信号电流。因此共模电感的公式由两项组成如下：（其中第二项大于第一项）其中a=X信号到Y信号的距离（单位in.）b=Y信号到地线的距离（单位in.）c=X信号到地线的距离（单位in.）D=连接器管脚的直径（单位in.）内部公开高速数字电路设计2001-08-27版权所有，侵权必究第4页，共30页H=连接器管脚长度（单位in.）LX,Y=回路X和Y之间的共模电感（单位nH）等式9.1中假设了是一个单排长型连接器（H/a比值较大）。即使不是这样的连接器，等式9.1中对数函数的宽值域也能得到一个在确定数量级内的精确答案。它能否达到了足够精度还应参考干扰对性能的影响。如果系统中的连接器性能可能影响系统性能，不妨找一个连接器并测一下它的性能。下一步我们需要昀大的dI/dt值，可以用等式2.41或2.42来估计DI/dt。昀后一个因素涉及噪声接受电路的拓扑结构（图9.2）。第一种情况是连接器就近连接一个驱动器。下文种描述了这种情况在上升沿时的情形（见等式1.3）。第二种情况覆盖了所有其他的情形，包括信号源终端。第二种情况的耦合噪声在每个方向上各分一半。第二种情况的耦合噪声将迅速的从低阻抗的驱动器反射回来，使接受侧的耦合噪声翻了一倍。以下公式是由于从逻辑门A来的单步输入在回路Y中产生的噪声脉冲的峰值。脉冲宽度相当于输入脉冲的上升时间：第一种情况：第二种情况：内部公开高速数字电路设计2001-08-27版权所有，侵权必究第5页，共30页图9.2相邻驱动器的低驱动阻抗驱动信号的上升沿变缓将直接减小干扰的影响。图9.3中。用了一个电容来缩短连接器信号源端驱动上升时间。而把电容放在信号收端只会在驱动器开关操作时增加流过连接器的电流的浪涌，使情况变得更糟。内部公开高速数字电路设计2001-08-27版权所有，侵权必究第6页，共30页图9.3减缓信号上升沿的方法9.1.2地平面如何改变会流路径（HowGroundsAltertheReturn-CurrentPath）下面的连接器特性的四个规则，其实已包含在等式9.1中。它可以帮助我们估计各种连接器接地特性。在已有设计中考虑进一步调整时这些规则是非常有用的。利用他们，我们可以预知各种假设变化出现时会发生什么。规则1：改变图9.1中的接地方式，我们可以减少（或增加）某些连线之间的共模电感。如果将地线移到离信号线X和Y更远一些，相当于增加了b和c的值，这样等式9.1中两项的值都会增大。共模电感Lx,y也就更大。相反地，将地线移到离X和Y更近一些的地方，则共模电感会减小。共模电感的变化与距离的对数成正比。规则2：加上扩展布地会有更显著的影响。记住等式9.1中为何第二项（地线项）较大？地线紧密地耦合回路X和Y，使流过地线的电流在回路Y上产生一个大的冲击。如果我们将地线电流分成两半，共模阻抗LX,Y将会减小到原来的一半。图9.4中在X信号线的上方增加一根地线就可以将接地电流对称地分成两半。每根地线各走一半。共模电感Lx,y将因此而下降。加上更多的地线将进一步细分接地电流但并不一定分成原来的一半。图9.4增加第二根地线分担地线电流规则3：在信号X和Y之间加上地线与在X和Y之外增加地线有很大的不同。如果在X和Y之间增加N根地线，将X和Y之间的空间进一步细分（图9.5），则共模电感将下降为原来的（1/内部公开高速数字电路设计2001-08-27版权所有，侵权必究第7页，共30页（1+N2））。如等式9.4所示。图9.5用多根地线分隔信号可以减小耦合规则4：连接器的任何信号线上的耦合噪声都来自所以其他信号线的影响。减少信号的数量可以减少总的干扰。类似地，将相互影响较小地信号分成多个信号组，并在信号组之间插入地线，也能减小总的干扰。信号分组有效地减少了对某个接受器影响较大地信号线地数量。这时干扰大致与地线间地信号线地数量。规则5：在连接器地末端加上扩展地并不能减少干扰。连接器末端地接线片接地也没有什么用。本节要点：共模电感，而不是共模电容，是连接器产生干扰的主要原因。在连接器的中间增加布地能较小干扰。9.2串联电感——连接器产生电磁干扰（EMI）的主要原因（SERIESINDUCTANCE--HOWCONNECTORSCREATEEMI）EMI来自昀大回路的电流信号的对外发射。内部公开高速数