连接器在高速串行链路应用中面临的挑战

随着数据流量和速率的增加，信号的带宽随之增大，信号延迟需要缩短。信号完整性问题变得更加严重。在这里，Eric Bogatin博士研究了高速串行链路应用中连接器面对的挑战。

互联网时需要超级速度。比如Netflix和You Tube两个平台，它们几乎占了互联网流量峰值的50%。数据流量每两年翻一番，这促使了几乎所有系统更高的数据传输速率的需求。

为了满足数据流量的传输，高速串行链路协议，如PCIe、SATA、SAS、以太网、USB和Infiniband等都有数据速率增加一倍的路线图。如果去年还很难实现2.5Gb/s的串行链接，那明年可能就可实现5Gb/s的链接。

设计可靠的高数据速率通道有难度的原因是导体和介质相互作用的电磁信号的基本特性。 换句话说，就是Maxwell(麦克斯韦)方程的特性。

随着数据速率的增加，信号的带宽增加，其传输时间减小。问题是所有信号完整性都随着更高的信号带宽和更短的传输时间而变化，特别是在连接器这样的结构中，这些结构本质上是不均匀的。

幸运的是，连接器路径短，所以电磁场转化为热过程中的损失可以保持很小。互联产生的问题可能更大。这些问题包括不连续性，信道的串扰，以及不对称的模式转换等。

不连续性反射的一个重要度量是信号反射的多少，称为反射系数或回波损耗。这是反射信号与入射信号的比值，通常用dB表示。图1是典型板对板连接器的返回损失和其它S参数的示例。

图1. 单端信道在“开放引脚场”板对板连接器中的S参数性能，包括一些电路板跟踪(由Samtec的解决方案网站提供)。 刻度按5db划分，顶部为0db，满刻度为10GHz。

需要注意，随着频率的增加，返回损失增加。当回波损耗大于-13db左右时，反射信号开始影响传输信号，这是用于定义连接器带宽的通用规范。

更高带宽的连接器不仅仅是连接器，也要考虑控制板。所以不能只优化连接器，板中包含整个信号路径。

串扰就是使一个微分对的边缘电场和磁场远离另一个微分对。 较高互连密度会使串扰更为严重。一个解决方案是在信号的两侧添加额外的返回引脚或较宽的返回平面。 近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT)系数是描述信道之间串扰的常用指标。

在高速串行链路应用中避免的最后一个互连问题是模式转换。沿着信道发送一个差分信号，如果差分对中的一条线与另一条线之间有任何不对称，那么这个差分信号中的一些将被转换成普通信号。

最常见的不对称性是构成信道的两条线之间的时间延迟差。例如，在28Gb/s时，单位间隔仅为36psec。 整个通道的线对线偏差应该小于15%，或5psec。总通道长度不超过30毫秒的延迟，所以在连接器上只能延迟很短的时间。

但信号完整性只是设计的一部分，还有长期的可靠性要求，可制造性，插入力，直流载流能力，互连密度，形状尺寸，甚至板的路径等。通常Murphy(墨菲)定律适用于连接器设计，使连接器设计比较复杂。

这种复杂性正如 Molex信号完整性主管戴夫·邓纳姆(Dave Dunham)所说：“在28Gb/s时，一切都很重要。”这就是为什么大多数高性能连接器供应商必须有特殊的信号完整性工程团队来设计他们的连接器。

在所有高端产品中，电路板必须针对特定的连接器进行优化。为了保持竞争力，连接器公司正在建立他们的SI专业知识，不仅是为了他们自己的设计挑战，也是为了帮助他们的客户。 这就是为什么Samtec最近收购了Teraspeed Consulting，以加强其对解决客户SI问题的支持。

在5Gb/s以上的数据速率下，对连接器来说，互连的信号完整性将是一个很关键又具有挑战性的难题。