浅析连接器设计中的并发开关噪声

的一部分。

　　允许的开关噪声幅度取决于噪声分配。开关噪声通常应该小于信号摆幅的5%到10%，当然噪声的分配也取决于工程师的设计技巧，以及由谁来负责选择连接器或者IC封装。优秀的信号完整性工程师的谈判代表非常清楚：要找到一个具有足够低互感的连接器或封装将是多么的困难，所以他会尽可能地争取一个更宽松的互感指标，这样做的结果势必导致系统中其它部分的规格更加严格。

　　首先可以使用如下的值来开始这种估算：

　　首先可以使用如下的值来开始这种估算：Vn/Va =5%，Za=50欧姆，t=0.5ns，由上述公式可计算出允许的最大互感值是1.2n

　　图3：连接器管脚的三维实体模型

　　确定上述应用假设条件后，就相当于对连接器或封装的信号路径之间允许的互感值施加了约束条件。当然，在时间、成本费用以及产品风险之间权衡并且实施资源分配之前，优秀的设计工程师应该运用更加完善而全面的系统级仿真来考察究竟多大的互感可以确保设计成功，并且不会对系统造成过多的负担。因此，上面的估算仅仅是一个最初的预期值

　　事实上，上述估算过高地估计了允许的互感值，这是因为假设静止信号线上的噪声仅仅是由一根相邻的变化信号路径的信号变化造成的。实际的情况下，通常可能有多个信号路径并发变化，其中每一个开关的信号路径都会对静止信号线产生并发开关噪声。根据连接器的设计，信号管脚之间实际允许的互感值通常只有上面估算值的一半到五分之一左右。

　　连接器管脚对之间或封装引线对之间的互感值为1.2nH是不是太大？我们来看一个具体的实例，就会发现1.2nH实际上是一个很小的值，而对于实际的连接器或封装需要做许多艰苦的工作才有可能减小该数值。

　　提取连接器的环路互感

　　在普通2mm间距的连接器模块，这种连接器典型的管脚长度大约是25mm左右。如图3所示，评估互感的值，可以将连接器实际的物理设计转换为保留导体所有几何特性的三维实体模型。

　　采用三维场提取工具从导体的实体模型中提取出局部的电感矩阵。有关连接器电感特性方面的问题都包含在这一个电感矩阵中。矩阵对角线上的元素是其局部自感，而不在对角线上的元素则是每管脚对之间的局部互感。

　　20个管脚的连接器的完整电感矩阵如图4所示。局部电感的概念在分析连接器和IC封装的电气性能方面非常有效。一个信号与另一个相邻的信号之间共用同一个返回路径的情况很常见。管脚对1和2是变化的环路（信号会发生跳变），而管脚对2和3则是静止的环路（信号不发生变化）。

　　这两个路径之间的互感为：LAB=（L31-L32）+（L22- L21）-L22

　　图4：连接器中的所有20个管脚的局部互感矩阵。

　　从场提取工具产生的表格中，可以找到该连接器的下述电感值：

　　L31=7.9nH

　　L32=10.9nH

　　L21=10.9nH

　　L22=19.9nH

　　L41=6.3nH

　　L42=7.9nH

　　根据上述数值可以计算出互感值是6nH。这就是共用同一个返回路径的两个信号路径之间的互感值。与最初估算的1.2nH相比，6nH太大。如果应用在这样的设计环境下，可以肯定该连接器不能正常工作。

　　当然，如果有足够的理由确实要在设计中运用这种连接器，一种办法是确保每一个信号都有各自独立的返回路径。在这种情况下，一个环路使用管脚1和2，而另一个环路则使用管脚3和4。两个环路之间的互感如下计算：LAB =（L31-L32）+（L42-L41）

　　这样计算出来的互感值是1.4nH。可见仅仅通过为每一个信号提供各自独立的信号返回路径，就可以将开关噪声减少四倍。考虑到其它信号路径信号同时变化的可能性，可以看到即便是1.4nH这么小的值仍然会产生3到5倍这么大的开关噪声。

　　现在已经非常清楚，对高速设计而言，常规的连接器按照常规的用法显然不能满足要求。任何可能降低管脚对之间互感的可行方法都应该考虑。

　　减小互感

　　原则上可以采取两种方法来减少连接器的互感。

　　1. 要确保尽可能短的路径。Packard-Hughes公司的Gold Dot连接器、Thomas和Betts公司的Metal Particle Interconnect（MPI）连接器就是采用了这种关键技术。而Tessera公司推出的CSP器件封装的一个重要特征就是具有非常短的引线长度。

　　在这些技术中总的引线长度可以缩短到1mm。仅仅引线长度一项就可以将上面实例中相邻信号和返回路径环路之间的互感减小为上述电感数值的二十分之一。

　　2. 要降低每一个信号与对应的返回路径的特征阻抗。环路之间的互感与最小环路的自感成比例，减小一个管脚对的环路自感就等于是降低信号通路的特征阻抗。

SamTec公司的连接器就采用了这样的技术，这种连接器采用又宽又短的引线作为返