在高速電路設(shè)計(jì)中，中國設(shè)計(jì)工程師通常不是特別了解連接器的互感特性在改進(jìn)信號(hào)完整性設(shè)計(jì)中的作用，本文將探討連接器設(shè)計(jì)和選擇中最難解決的問題：并發(fā)開關(guān)噪聲，并且揭示并發(fā)開關(guān)噪聲對高性能系統(tǒng)中使用的連接器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。

　　人們總是認(rèn)為系統(tǒng)中所有的工作都是由IC來完成的，當(dāng)然也包括相應(yīng)的軟件。而類似于IC封裝、電路板、連接器、電纜以及其它的離散元器件等無源器件只會(huì)降低系統(tǒng)性能，擴(kuò)大系統(tǒng)尺寸和增加系統(tǒng)成本。所以，系統(tǒng)中互連以及元器件的選擇和設(shè)計(jì)實(shí)際上就是將這些成分對系統(tǒng)造成的影響降到最低。因此大多數(shù)的IC 設(shè)計(jì)師通常將系統(tǒng)中不連接的所有部分（這通常是PCB設(shè)計(jì)師所涉及的內(nèi)容）歸結(jié)為寄生成分這樣一個(gè)籠統(tǒng)的范疇。

　　圖1：四種最主要的高速電路問題

　　選擇IC器件時(shí)，除了選擇合適的元器件以外，后續(xù)的電路板布局布線工作還要符合下列設(shè)計(jì)規(guī)則：

　　1. 受控阻抗的PCB線；

　　2.分支線上的信號(hào)延時(shí)小于最快信號(hào)上升時(shí)間的20%；

　　3. 不連續(xù)性時(shí)間延時(shí)小于最快信號(hào)上升時(shí)間的20%；

　　4.相鄰PCB線具有足夠的間距，確保信號(hào)串?dāng)_控制在可以接受的電平上；

　　5. 合理的PCB分層設(shè)計(jì)確保相鄰的電源和地平面層之間的介質(zhì)很??；

　　6.每一個(gè)信號(hào)線下面都有連續(xù)的信號(hào)返回路徑。

　　即便PCB的布局布線做得非常好，事情仍然沒有那么簡單。高性能系統(tǒng)中的每一個(gè)成分都需要優(yōu)化，確保符合整個(gè)系統(tǒng)在成本、性能和開發(fā)進(jìn)度等方面的要求。高性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的鏈，每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須符合要求，方能保證整個(gè)系統(tǒng)符合產(chǎn)品性能規(guī)范。

　　系統(tǒng)中的其它因素將如何影響系統(tǒng)性能？可能的問題通?？梢詺w結(jié)為兩種類型：時(shí)序問題和噪聲問題。信號(hào)完整性既包括時(shí)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(dǎo)致的信號(hào)完整性問題的四種類型：

　　1. 單根網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量；

　　2. 兩根或者更多網(wǎng)絡(luò)之間的信號(hào)串?dāng)_；

　　3. 電源分布系統(tǒng)中的噪聲；

　　4. 系統(tǒng)中元器件對外的電磁輻射。

　　除非特別關(guān)注，并且項(xiàng)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(huì)出現(xiàn)在高速產(chǎn)品中。本文將探討連接器（也包括IC封裝）的設(shè)計(jì)和選擇中最難解決的問題：并發(fā)開關(guān)噪聲（simultaneously switchingnoise），并且揭示并發(fā)開關(guān)噪聲對高性能系統(tǒng)中使用的連接器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。并發(fā)開關(guān)噪聲

　　對連接器和IC封裝來說，開關(guān)噪聲方面的高速性能要求是最難滿足的。開關(guān)噪聲屬于信號(hào)串?dāng)_，主要是由于連接器和IC封裝中相鄰環(huán)路（由信號(hào)與返回路徑構(gòu)成）之間的互感導(dǎo)致的。要使開關(guān)噪聲幅度最小，必須確保相鄰的信號(hào)路徑環(huán)路之間的互感小于一個(gè)允許的最大值。

　　圖2：測量BGA封裝中的并發(fā)開關(guān)噪聲。

　　當(dāng)信號(hào)通過連接器或者IC封裝傳播時(shí)，信號(hào)的波前（信號(hào)波形中跳變的成分）通過信號(hào)管腳構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)路，就會(huì)耦合并且返回到信號(hào)的返回管腳上。每一個(gè)信號(hào)和對應(yīng)的返回路徑都可以構(gòu)成一個(gè)相似的環(huán)路。在任何兩個(gè)信號(hào)及其返回路徑構(gòu)成的環(huán)路之間都存在一個(gè)環(huán)路互感。

　　一個(gè)環(huán)路中的電流發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在另外一個(gè)靜止（信號(hào)電流沒有變化）的環(huán)路中感應(yīng)出信號(hào)噪聲。而當(dāng)多個(gè)變化的信號(hào)線并發(fā)開關(guān)時(shí)，通過互感耦合到靜止環(huán)路的噪聲就會(huì)互相累計(jì)，因此稱為“并發(fā)開關(guān)噪聲”。圖2所示為五個(gè)數(shù)據(jù)線并發(fā)開關(guān)時(shí)測量到的一個(gè)靜止信號(hào)線上的并發(fā)開關(guān)噪聲。在這個(gè)實(shí)例里，靜止信號(hào)線上的噪聲是由該靜止環(huán)路與所有五個(gè)變化的環(huán)路之間的互感而造成的。

　　互感的計(jì)算

　　采用簡單的模型可以很方便地估算出兩個(gè)信號(hào)環(huán)路之間允許的最大互感值。進(jìn)一步討論如何計(jì)算實(shí)際連接器中相鄰環(huán)路之間的互感。

　　當(dāng)信號(hào)通過連接器的一個(gè)管腳對時(shí)，在變化的信號(hào)通路上，信號(hào)的波前處會(huì)出現(xiàn)信號(hào)電流的突然變化。變化的電流會(huì)導(dǎo)致電壓噪聲并且感應(yīng)到相鄰的靜止信號(hào)環(huán)路上，這種感應(yīng)是由于兩個(gè)環(huán)路之間存在的互感引起的。這種靜止信號(hào)線上感應(yīng)出來的噪聲稱之為開關(guān)噪聲，這是由于這種噪聲只有當(dāng)電壓或者電流處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

　　在靜止環(huán)路中感應(yīng)出的電壓噪聲可以近似為：

　　表達(dá)式各項(xiàng)的意義為：Vn，靜止環(huán)路中的噪聲；Lab，變化環(huán)路和靜止環(huán)路之間的互感；△Ia，變化環(huán)路中的電流變化；Za，在變化環(huán)路與靜止環(huán)路的視在阻抗；Va，變化環(huán)路中的信號(hào)電壓；△t是信號(hào)的上升時(shí)間，表明電流開關(guān)的快慢。

　　選擇連接器或者IC封裝唯一可以影響的就是環(huán)路之間的互感，而環(huán)路中信號(hào)視在阻抗通常都在50歐姆左右，該阻抗值與上升時(shí)間及信號(hào)電壓一樣都是系統(tǒng)規(guī)范的一部分。

　　允許的開關(guān)噪聲幅度取決于噪聲分配。開關(guān)噪聲通常應(yīng)該小于信號(hào)擺幅的5%到10%，當(dāng)然噪聲的分配也取決于工程師的設(shè)計(jì)技巧，以及由誰來負(fù)責(zé)選擇連接器或者IC封裝。優(yōu)秀的信號(hào)完整性工程師的談判代表非常清楚：要找到一個(gè)具有足夠低互感的連接器或封裝將是多么的困難，所以他會(huì)盡可能地爭取一個(gè)更寬松的互感指標(biāo)，這樣做的結(jié)果勢必導(dǎo)致系統(tǒng)中其它部分的規(guī)格更加嚴(yán)格。

　　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(jì)算出允許的最大互感值是1.2n

　　圖3：連接器管腳的三維實(shí)體模型

　　確定上述應(yīng)用假設(shè)條件后，就相當(dāng)于對連接器或封裝的信號(hào)路徑之間允許的互感值施加了約束條件。當(dāng)然，在時(shí)間、成本費(fèi)用以及產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)之間權(quán)衡并且實(shí)施資源分配之前，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該運(yùn)用更加完善而全面的系統(tǒng)級(jí)仿真來考察究竟多大的互感可以確保設(shè)計(jì)成功，并且不會(huì)對系統(tǒng)造成過多的負(fù)擔(dān)。因此，上面的估算僅僅是一個(gè)最初的預(yù)期值

　　事實(shí)上，上述估算過高地估計(jì)了允許的互感值，這是因?yàn)榧僭O(shè)靜止信號(hào)線上的噪聲僅僅是由一根相鄰的變化信號(hào)路徑的信號(hào)變化造成的。實(shí)際的情況下，通?？赡苡卸鄠€(gè)信號(hào)路徑并發(fā)變化，其中每一個(gè)開關(guān)的信號(hào)路徑都會(huì)對靜止信號(hào)線產(chǎn)生并發(fā)開關(guān)噪聲。根據(jù)連接器的設(shè)計(jì)，信號(hào)管腳之間實(shí)際允許的互感值通常只有上面估算值的一半到五分之一左右。

　　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(gè)具體的實(shí)例，就會(huì)發(fā)現(xiàn)1.2nH實(shí)際上是一個(gè)很小的值，而對于實(shí)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(shù)值。