低速信号通过连接器,可以把它看成一根导线,只要通就行。高速信号不行——连接器对信号的影响是多方面的,理解这些影响,才能判断一个连接器能不能用在高速场合。
特性阻抗与不连续
高速信号在传输线中传播,传输线的特性阻抗由几何结构和介质决定。信号沿链路传播时,只要特性阻抗保持恒定,就 完整传输;一旦阻抗变化,就会产生反射。
连接器内部的结构与电缆、与PCB都不同——导体形状变了、周围的介质变了、参考结构变了。所以连接器的特性阻抗几乎不可能与前后完全一致。
关键是让这个偏差尽可能小,并且让不连续的区间尽可能短。经验规则:如果不连续区间的长度远小于信号上升沿对应的空间长度,影响就小。所以高速连接器要做小、要做紧凑,这与追求芯数密度的方向是一致的。
量化方式是用反射系数:偏差越大,反射系数越大。工程上一般要求回波损耗优于负15到负20分贝,对应的反射系数在百分之十以内。
回流路径的中断
这一点最容易被忽略。高速信号的电流是回路——信号电流沿信号线走,回流电流沿参考平面走,两者构成一个回路。回路面积越小,电感越小,辐射越小。
在PCB上,参考平面就在信号线旁边,回路很小。到了连接器里,如果没有为回流提供路径,回流电流就要绕远路——可能从别的接地芯绕,或者通过屏蔽层绕。回路面积增大,电感增大,信号质量恶化,同时辐射增加。
解决办法是为每个高速信号提供相邻的接地回流路径。差分信号相对好办——差分对的回流主要在两根线之间,但共模分量仍然需要参考路径,所以接地芯还是必要的。
损耗
信号通过连接器会有损耗,来源是三部分:导体损耗、介质损耗、辐射损耗。
导体损耗来自导体的电阻,高频下因为集肤效应,电流只在导体表面流动,等效电阻上升。频率越高,集肤深度越小,电阻越大。所以导体损耗随频率的平方根上升。
介质损耗来自绝缘材料的介电损耗角正切。材料的这个参数越大,损耗越大。高速连接器要选低损耗材料——普通工程塑料的损耗角正切在千分之几的量级,而高速专用的材料可以做到万分之几。
辐射损耗来自结构的开放性——如果信号芯周围没有完整的参考结构,一部分能量会辐射出去。这与前面说的回流路径是同一个问题。
损耗的结果是信号幅度下降,同时高频分量衰减更多(因为损耗随频率上升),造成信号边沿变缓、码间干扰加剧。
串扰
相邻信号线之间通过互容和互感耦合,产生串扰。速率越高、边沿越陡,串扰越严重。
串扰分近端和远端两种。近端串扰出现在靠近信号源的一端,远端串扰出现在接收端。对接收端来说,远端串扰直接叠加在有用信号上,危害更大。
抑制串扰的手段:加大间距(效果有限,因为要占用空间)、加接地隔离(效果好,但要占用芯数)、缩短耦合长度(连接器做短)、以及用差分(差分信号对外部耦合的敏感性低)。
怎么判断能不能用
工程上有几个判据:
一是带宽判据。连接器的可用带宽(通常按插入损耗下降3分贝对应的频率)要高于信号的主要频率成分。对于NRZ编码,主要成分到奈奎斯特频率(速率的一半)左右。所以5Gbps的信号,连接器的3分贝带宽至少要覆盖2.5GHz。
二是上升沿判据。连接器引入的阻抗不连续造成的信号畸变,要小于信号上升时间的允许范围。
三是眼图判据。这是最终判据——通过连接器后的眼图要满足接收端的模板要求。
实践建议
第一,把连接器当作传输线的一部分来设计,不是当作一个元件。链路预算要包含连接器的损耗。
第二,高速信号优先用差分。差分的抗干扰能力和EMI性能都优于单端。
第三,接地芯不能省。高速连接器里接地芯的数量往往与信号芯相当,这不是浪费。
第四,选型时索要S参数数据。有S参数的厂家说明做过高速设计,只给"支持XX速率"这种描述要谨慎。
我们的YMG系列差分电连接器提供S参数数据,J30JM1-9ZKS玻璃烧结密封插座用于需要密封的高速场合。有高速需求时把速率和允许损耗告知我们,可以做匹配。



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