淺析高速連接器阻抗優化

王 超，鐘茂萍，江 濤

(四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621001)

1 引言

隨著5G技術的日益發展，通訊設備不斷升級換代，信號傳輸速率不斷上升，系統鏈路信號完整性要求進一步提高。高速連接器作為系統鏈路至關重要的一環，連接器的性能要求也是越來越嚴苛，作為連接器廠商，如何保證產品設計及加工性能是一個很大的挑戰。

對于高速連接器來說，跑高速的信號基本都是差分信號，由于連接器結構復雜，隨著信號上升時間的不斷減小，阻抗匹配難度也越來越大，本文通過解析差分阻抗原理，介紹了差分阻抗優化較常用的優化手段。

2 差分線的阻抗[1]

常用的信號傳輸分為單端信號和差分信號，差分信號由兩根單端信號構成，發射器傳輸差分信號時，會將單端信號拆分成兩個信號幅值相等相位相反的兩個信號，再由接收器識別轉化為單端信號。簡單來說，接收器會將兩個單端信號做一個減法，得到的信號幅值將是單個信號的兩倍；差分信號由于抗干擾能力強，在高速信號傳輸中被廣泛應用。

從理論上來說，任何兩根走線都可以構成差分對，可實際上，我們設計中的差分信號都會符合對稱原則，這個對稱包含以下幾個條件：

1) 兩根線具有相同并且恒定的阻抗，保證兩根線上的反射盡量小，在減少因反射造成的信號失真的同時，也盡量避免因兩根線反射不同，導致多余共模分量出現的情況。

2) 兩根線的線寬，以及走線之間的間距、介質等保持恒定。

3) 兩根線的線長與延時相同，延時不同會導致共模信號的增加，使信號變差。

為了簡化問題，我們假定差分線符合上述條件，并且兩根線之間沒有耦合，這時，電路中電壓與電流如圖1所示。

圖1 差分信號

對于差分信號來說，可以認為構成差分線的兩根單線上的電壓幅度相等，且互為相反數，電流大小相等，方向相反。差分信號電壓等于兩倍單端電壓，電流則像構成了一個回路，其大小和單線電流大小相等，于是形成了下列公式：

Z0=U/I

Zdiff=Udiff/I=2U/I=2Z0

式中，Z0為單根傳輸線的特征阻抗；Zdiff為差分傳輸線的差分阻抗；U為信號線與返回路徑之間的電壓；I為流經信號線與返回路徑之間的電流；Udiff為差分傳輸線的差分電壓。

可以看到，對于沒有耦合的差分線來說，其差分阻抗等于兩倍單線阻抗，也可理解為兩線單線阻抗的串聯。

對于共模信號，共模電壓與單線電壓相等，共模電流為單線電流的兩倍，所以有：

Z0=U/I

Zcomm=Ucomm/I=0.5U/I=0.5Z0

式中，Zcomm為差分傳輸線的共模阻抗；Ucomm為差分傳輸線的共模電壓。

所以，共模阻抗等于單線阻抗的一半，也可以理解為兩根單線阻抗的并聯。

但就實際情況而言，大部分差分線是存在耦合的，而我們使用相同的結構后由于耦合因數，實際的差分阻抗會變小，如圖2所示為一高速連接器中的差分和單端仿真阻抗值。

圖2 典型差分線單端和差分阻抗

簡而言之，差分阻抗的一半是小于單線阻抗的。

對于傳輸線來說，在信號傳輸過程中，每個單位長度△X都會不斷產生小電容CL，所以傳輸線的電容大小是它們的乘積：

C=CL×△X

而電流大小就是單位時間內加在每個電容上的電量，可得以下公式：

I=Q/△t=C×U/(△X/V)=CL△XVU/△X=CLVU

式中，I是信號電流大小(A)；Q是每個小電容電量(C)，△t是傳輸至兩個小電容之間所需時間(S)，C是每個小電容的容值(F)，U是信號的電壓(V)，△X是每個小電容長度(M)，v是信號傳輸速度(m/s)；CL是單位長度電容大小(F/m)。

Z0=U/I =U/CLVU=1/CLV

從公式中可知，阻抗與傳輸線單位電容成反比。

3 差分阻抗對信號完整性的影響

差分阻抗和上升時間強相關，上升時間越短，阻抗波動越大，阻抗越難控制；上升時間和帶寬成反比，所以對于速率越高的產品，特別是目前流行的56G和112G產品，阻抗波動會越大，匹配難度增加。

阻抗的波動會直接影響回波損耗值，回波損耗代表信號的反射，波動越大，反射越大，回波損耗越差；反射能量多了，接受到的能量就會變少，所以插損也會變差，如下為90歐姆的阻抗匹配值對應的插損和回損值。

圖3 不同阻抗對應的插損和回損值

從圖3不同阻抗對應的插損和回損可以看出，1號線的阻抗在90歐姆左右波動，明顯優于2號線，插損和回損1號線也明顯比2號線好，所以阻抗匹配有利于減少反射，提升系統的損耗裕量。

4 影響差分阻抗的因素

4.1 導體橫截面積的變化

導體橫截面積增大會導致阻抗變低，相反阻抗變高；阻抗與導體橫截面積的變化類似于導體電阻，這是因為阻抗公司中的電流與導體本身的電容成正比，導電橫截面積的增大，變相增大了導體電容，從而降低了阻抗。

如下圖4我們建立一個差分模型，在差分間距0.3mm和回流地間距0.2mm不變的情況下，改變線寬0.5mm大小，分別對比線寬0.4mm、0.5mm、0.6mm阻抗的變化值。

圖4 差分模型

阻抗仿真結果如下圖5：

圖5 不同線寬的阻抗

從仿真結果可知，只改變線寬大小，線寬越寬，阻抗越小，同理，改變走線厚度也是同樣道理，只要導體橫截面積發生變化，都會導致阻抗的變化；所以我們在連接器調試阻抗時，經常會嘗試去調整線寬改變阻抗，以達到我們的需求值。

4.2 信號線間距變化

當信號線之間間距發生變化時，信號線之間的耦合也會發生變化，間距越小，耦合越強，則信號線感受到的電容越大，阻抗就會越低。所以減小信號線間距阻抗會變低，加大間距阻抗則會升高。

我們同樣使用圖4的仿真模型，在其他尺寸不變的情況下，改變間距0.3mm的數值，我們分別仿真間距0.2mm，0.3mm，0.4mm對比仿真結果，仿真結果如下圖6：

圖6 兩種不同的串擾模型

從仿真結果看出，線距越大阻抗越高，所以調整間距也是匹配阻抗的重要手段之一。

4.3 信號線與回流地的間距

我們經?？吹?，高速信號都伴有回流地，回流地與信號線的間距對阻抗也有很明顯的影響，信號線與回流地也存在耦合，耦合越強，電容越大，阻抗越低。

我們同樣使用圖4的仿真模型，在其他尺寸不變的情況下，改變回流地間距0.2mm的數值，我們分別仿真間距0.15mm，0.2mm，0.25mm對比仿真結果，仿真結果如下圖7：

圖7 不同回流間距的阻抗

從仿真結果可以看出，回流間距對阻抗影響比較大，間距越小阻抗越低，在調整回流地間距時需要考慮信號線可加工性，一般信號線沖模對線寬有最小值要求，也需要考慮串擾等其他指標的影響。

回流地的形式較多，圖4為PCB中廠家的微帶線，另外還有如下圖7中的帶狀線和射頻同軸類，回流地的方式不同對阻抗的影響也不同，回流地的完整對串擾的影響也較大。

圖8 廠家差分信號屏蔽種類

回流地的形式有很多種，連接器的回流路徑較復雜，高速連接器一段走線屏蔽經常有多種組合形態，調整阻抗時需隨機應變，但盡量做到屏蔽完整。

4.4 介質DK值的影響

通常，連接器信號與信號之間都有絕緣介質，其目的是固定信號與信號的位置隔離信號防止短路，介質DK值會影響絕緣電阻及耐電壓，對阻抗也有很明顯的影響。

Dk反映的是絕緣體如何積蓄電能，從而使電子元件相互絕緣，并與地面絕緣。Dk是兩種材料電容值的比：一種作為介電物質的電容與空氣或真空作為介電物質的電容之比，空氣的DK值為1.0，是絕緣介質中DK值最小的。而從前面阻抗公式中可知，阻抗與單位電容成反比，DK值越大，電容則越大，則阻抗就會越低。

如下圖9建立一仿真模型，在其他條件不變的情況下改變絕緣介質的DK值，分別設置2.8，3.0，3.2，對比阻抗曲線。

圖9 仿真模型

仿真結果：

圖10 不同DK值阻抗仿真結果

從仿真結果可以看出，阻抗對DK值大小變化很敏感，DK越大阻抗越低，產品設計中選擇合適的DK值也是非常重要；在類似微帶線結構中，絕緣介質厚度也會對阻抗產生明顯的影響，厚度影響也不是無限的，這是因為絕緣介質較薄時，信號線會同時感受的絕緣介質和空氣的DK值，絕緣介質和空氣DK混合后會導致信號感受到的DK值介于空氣與絕緣介質之間，當達到一定值后就不再影響阻抗了，所以調整絕緣厚度也是調整阻抗的重要手段。

5 常用的阻抗計算軟件

產品設計初期，當大致結構出來后，我們回去匹配信號線阻抗值，如果通過三維電磁場軟件仿真效率太慢，這時候我們可以借用一些2D軟件來計算阻抗值，比如SI9000、或者Allegro、Altium，HFSS自帶的計算模塊，我們以SI9000軟件計算為例，來匹配一段連接器走線阻抗值到90歐姆。

建立如下連接器中常見模型，模型中有信號端子埋在塑膠，也有暴露在空氣中部分，也有無屏蔽部分，如下分為三段：

對于初始結構，我們假定信號料號0.15mm，屏蔽與信號0.25mm，信號上半部絕緣厚度0.55mm，絕緣介質DK值3.0，我們利用SI9000進行初步仿真，確定線寬、線距等。

圖11 仿真模型

先確定第一段，如下：

圖12 第一段計算值

從仿真中可確定第一段線寬為0.21mm，線距0.3mm。

第二段計算值如下：

圖13 第二段計算值

從仿真中可確定第二段線寬為0.6mm，線距0.16mm。

第三段計算值如下：

圖14 第三段計算值

從仿真中可確定第三段線寬為2.2mm，線距0.15mm。

按照計算的數值結果，我們更新3D模型，如下：

圖15 更新后仿真模型

圖16 匹配后仿真結果

當然更新后第三段線寬比較夸張，我們實際產品設計時要給第三段匹配回流地，避免出現回流地缺失，而且回流地缺失也會引起串擾的問題；我們將整個模型帶入HFSS中進行仿真，看整段阻抗匹配結果是否一致：

從仿真結果可以看出，匹配阻抗最低在83歐姆左右，與實際要求90歐姆有7歐姆偏差，偏差也不是很大，軟件只是初步計算，我們需要根據三維電磁場軟件仿真結果微調線寬，這樣可以大大減小調試計算量。

所以，我們在產品設計時盡量多使用2D仿真軟件計算走線阻抗值，有助于提高工作效率。

6 結束語

高速連接器結構復雜，考慮的因素眾多，阻抗的不連續點非常多，對于信號完整性工程師來說，必須要識別影響阻抗的因素，好做出正確的調整；也需要多利用相關軟件仿真，達到快速匹配阻抗的目的。