文章 概述

本文中，DigiKey介紹并討論了信號完整性時使用的一些術語，以及設計人員需要考慮的問題，然后 介紹了 Amphenol 優異 的電纜和連接器解決方案，說明這些解決方案如何確保設計成功。

隨著支持人工智能 (AI) 的高性能數據中心的興起，信號完整性 (SI) 變得至關重要，這樣才能以更高的速度傳輸海量數據。為確保信號完整性，設計人員必須注意電路板布局并使用適當的導線和連接器，從而最大限度地減少反射、噪聲和串擾。此外，還必須了解傳輸線、阻抗、回波損耗和共振等基本原理。傳輸線路

傳輸線由兩根（有時是三根）長度不為零的導體組成，導體之間由電介質隔離（圖 1 ）。電路元件之間的導體傳輸電信號，并將損耗或失真降至最低。常見的導體是銅等金屬，這些金屬材料具有高導電性、出色的傳輸性能和低功率損耗，而且成本相對較低。金是一種極佳的導體，但由于成本高昂，其使用僅限于對耐腐蝕性要求較高的應用，如連接器插針和插座。其他金屬和合金也是針對特定應用或材料特性而開發的。

圖 1 ：傳輸線由通過電介質隔離的導體組成。導體間的位置可以平行，也可以同心。（圖片來源： Amphenol ）

電介質是一種非導電材料，通過在導體的導電幾何形狀周圍區域形成絕緣層來隔離導體。 電介質的特性會影響相鄰導體上的信號傳輸。

介電常數 (Dk) 和耗散因數 (Df) 是影響傳輸線的重要電介質特性。 Dk 決定信號在線路上的傳播速度。例如， Dk 較低的材料傳播速度較高。 Df 表示信號沿傳輸線傳輸時材料內部的能量損耗。 Df 越小，信號衰減越小，高頻信號尤其如此。

常見的電介質包括空氣和各種塑料。典型的印刷電路板（ PC 板）基材是一種稱為阻燃劑 4 (FR-4) 的電介質，即一種浸漬了阻燃環氧樹脂的玻璃纖維編織布的復合材料。

標準傳輸線配置包括同軸電纜、雙絞線、 PC 板帶狀線和 PC 板微帶線。這兩根導體分別為信號路徑和返回路徑。輸電線上的電壓是沿著線路在導體之間測量的，而電流則是通過任一導體測量的。

在 SI 方面，傳輸線是在兩個導體之間傳輸橫向電磁波 (TEM) 或準 TEM 波的分布式電氣元件。這些波包含與其傳播方向垂直的交變電場 (E) 和磁場 (H) （圖 2 ）。

圖 2 ：傳輸線利用交變式正交電磁場沿線路傳播能量。 ( 圖片來源： Amphenol ）

變化的電場產生變化的磁場，形成一系列交替轉換，使 TEM 波沿著垂直于兩個場的方向在傳輸線上傳播。

電路元件之間的傳輸線連接可配置為單端或差分式連接（圖 3 ）。

圖 3 ：傳輸線既可配置為單端（不平衡），使用一根信號線和一根返回線或接地線；也可配置為差分式（平衡），使用兩根互補信號線和一根接地線。（圖片來源： Amphenol ）

單端配置使用一條信號線和一條地線。信號并不完全相同，這種配置被視為不平衡傳播模式。差分配置使用兩條互補信號線和一條地線，通常獨立運行。差分信號是平衡傳播模式的一個例子，因為需要關注的信號是兩個信號間的數學差值。

傳輸線阻抗

電阻抗是指電路對外加交流電壓產生的電流的抵抗，單位為歐姆 ( Ω ) 。阻抗是導體上每一點的電壓與電流的復數比。

傳輸線必須能夠控制其阻抗，以傳輸高速 / 高帶寬信號，而不會因反射而導致信號質量下降。 傳輸線路上各點的瞬時阻抗是恒定的，稱為特性阻抗。印制線寬度、間距、長度以及印制線和接地平面之間的介電特性共同控制傳輸線路阻抗。

特性阻抗可以看作是波在長度遠大于傳播信號波長的線路上傳播時所產生的能量傳遞阻力。

信號反射

如果信號通過傳輸線傳播到負載，而負載的阻抗等于傳輸線的特性阻抗，則信號完全傳遞到負載。如果負載阻抗與線路的特性阻抗不同，那么入射到負載上的部分能量就會反射回信號源。

反射電壓 VR 的幅值與入射電壓 VI 的幅值之比就是反射系數（圖 4 ）。該比值取決于負載阻抗 (ZL) 和傳輸線路的特性阻抗 (ZC) 。

圖 4 ：反射系數取決于負載和傳輸線路的特性阻抗。 ( 圖片來源： Amphenol ）

信號穿過介質阻抗不匹配的邊界時會產生反射 （圖 5 ）。在每個界面處，反射系數決定反射的幅值和相位。接收器收到的信號是發射信號與延時反射信號之和。

圖 5 ：傳輸信號因反射分量而失真，且時間延遲與反射路徑的傳播延遲成正比。 ( 圖片來源： Amphenol ）

Z2 和 Z3 的結合處會將部分入射信號反射回發射器，而大部分入射能量則會繼續射向接收器。反射信號如在反向路徑中遇到失配，部分能量會反射回接收器。信號邊緣的反射極性取決于結合處的阻抗是增大還是減小。反射時間則取決于結合處之間的物理距離。從接收器看到的信號是傳輸信號和所有反射信號的總和。

請注意， 由于存在反射，接收信號的頂部和底部電平并不均勻。 如果反射幅值足夠大，讀取數據時就會出錯。 SI 的關鍵目標之一是減少異常反射。

回波損耗和插入損耗

傳輸線路在頻域和時域中均進行了特征化。在頻域中，反射是以回波損耗 (RL) 的形式測量的，單位為分貝 (dB) （圖 6 ）。未能到達負載的入射功率部分用插入損耗 (IL) 表示，單位也是 dB 。插入損耗越低，連接性能越好。

圖 6 ：回波損耗測量的是頻域中的反射功率，而插入損耗測量的是負載接收到的功率。 ( 圖片來源： Art Pini ）

用于描述散裝同軸電纜上的插入損耗的參數是單位長度上的衰減，以分貝 / 英尺 (dB/ft) 或分貝 / 米 (dB/m) 為單位。

噪聲

噪聲是出現在傳輸線上的所有不想要的信號。反射可被視為一種噪聲，會破壞接收到的信號。非傳輸線路上的噪聲可能作為假信號被接收。

噪聲有多種來源，例如熱噪聲、影響傳輸線路的外部輻射以及來自同一設備內另一條線路的噪聲（串擾）。這些源頭的能量會添加到傳輸線路中的信號上。噪聲的特征化參數是信噪比 (SNR) ，即傳輸線上信號功率與噪聲功率之比。 信噪比越高，信號質量越好 。

串擾

串擾是一種由相鄰線路的電磁 (EM) 場相互作用而出現在傳輸線路上，但未直接接觸的一種噪聲。串擾是并不希望出現的噪聲的子類別。串擾是由攻擊者（載波）線路和受害者（接收器）線路之間的線對線電容耦合或線對線電感耦合引起的（圖 7 ）。

圖 7 ：電壓變化的容性耦合或電流變化的感性耦合可導致從攻擊者到受害傳輸線上出現串擾。 ( 圖片來源： Amphenol ）

串擾根據受害者經受到耦合噪聲的位置進行標注。近端串擾 (NEXT) 出現在傳輸線或被測設備 (DUT) 的發射端，而遠端串擾 (FEXT) 則出現在接收端。

為了減少串擾，可采取以下措施：增加相鄰傳輸線之間的距離、減小路徑長度、使用差分線路以消除兩條線的共同噪聲、保持相鄰電路板層上的印制線垂直，以及采用整體接地和電磁干擾 (EMI) 屏蔽層。

諧振

當信號路徑是四分之一信號波長的倍數時會發生諧振。在這些點上，反射信號與入射波形成重疊，會放大或衰減傳輸信號。與這些波長相對應的頻率稱為諧振頻率。

諧振會造成噪聲或信號失真 ，產生的原因是信號路徑中的未端接的傳輸線部分（也稱殘樁）或非理想的接地回波。圖 8 顯示了在一個每秒 12 千兆比特 (Gbps) 的信道上，兩種長度的不同殘樁所產生的諧振效應。

圖 8 ：所示為 12 Gbps 信道上兩種長度的傳輸線殘樁所產生的諧振效應。 ( 圖片來源： Amphenol ）

用紅色方框標出的殘樁長度為 0.25 英寸 (in.) ，諧振頻率約為 6 千兆赫（ GHz ）。綠色復選框下的三個短殘樁的長度為 0.025 in. 。這些殘樁的諧振頻率增大了 10 倍，即 60 GHz 。左上角的頻譜分析圖給出了兩種頻譜響應曲線。紅色頻譜是 0.25 in. 殘樁的響應，綠色跡線則是 0.025 in. 殘樁的響應； 0.25 in. 殘樁顯示了以 6 GHz 為中心的“吸出”響應，且振幅較低。

右上眼圖重疊了 011 、 001 、 100 和 110 的多比特序列，以生成 SI 圖形化測量值。只要保持眼睛睜開，傳輸就成功了。垂直閉眼是由于噪聲、反射和串擾造成的。水平閉眼與抖動等定時問題有關。由于信號幅值缺失， 6 GHz 諧振會導致眼圖塌陷。

互聯組件規格中的 SI

在數據中心中支持 AI 處理器的互連組件包括同軸和雙絞線電纜、連接器和電路板（圖 9 ）。這些組件通常以特性阻抗和帶寬來指定。 SI 規格包括衰減、速度因子、回波損耗、插入損耗和串擾。

圖 9 ：要支持數據中心中的 AI 處理器，就需要采用高速電纜和連接器，以確保各組件之間準確可靠的通信。 ( 圖片來源： Amphenol ）

Times Microwave Systems 的 LMR-400-ULTRAFLEX 50Ω 低損耗電纜就是一種同軸電纜，額定頻率為 6 GHz，可室內外使用。其頻率衰減為 900 MHz 時 0.05 dB/ft，5.8 GHz 時增大至 0.13 dB/ft。這種同軸電纜的傳播速度（處理反射時使用的規格）是光速的 80%，即速度系數為 0.8。反射和傳輸損耗由電纜自身長度決定，散裝電纜規格中沒有給出。對連接器等組件的規定有所不同。 Amphenol Communications Solutions 的 10128419-101LF 是 112 位公頭連接器，可用于背板。這種連接器可處理最大比特率為 25 Gbps 至 56 Gbps 的數字信號，且觸頭的特性阻抗為 92 Ω。這是一種多觸頭連接器，插入損耗和串擾規格至關重要（圖 10）。

圖 10 ： 10128419-101LF 接頭的重要插入損耗和串擾規格與頻率的函數關系。 ( 圖片來源： Amphenol ）

這些是與互連組件相關的典型 SI 規格。

結語

在 AI 數據中心等高速系統的整個設計過程中，必須考慮 SI 。影響 SI 的因素很多，設計人員必須考慮到所有這些因素，以減輕其影響。通過正確的電路板印制線布局以及適當的導線和連接器，可以最大限度地提高 SI 。

 小編的話

電纜和連接器通過低損耗傳輸、阻抗匹配、電磁屏蔽、機械穩定四大機制，能夠保障信號在幅度、時序和噪聲方面的完整性。而在高頻 / 高速場景中，其設計還要結合材料科學、精密加工和仿真工具，方可應對信號衰減、串擾和干擾的挑戰。您在信號完整性設計中如何選擇電纜和連接器？您對 電介質的選型有哪些經驗或疑問？ 歡迎留言，分享交流！