SAS硬盘连接器的信号完整性分析与研究

发布时间：2018-09-05 05:45

【摘要】：无论是便携的消费电子级产品、大型的企业级的服务器、还是极其贵重的航天飞机,在它们的电路系统中,都需要电连接器来实现组件或系统间的电力和数据的传输功能。但是随着网络速度的提升和存储技术的发展,人们在单位时间内需要处理的数据量越来越庞大,连接器上传递的信号速率越来越高。而高速信号陡峭的上升沿中所含有的大量高频谐波成分对连接器结构引起的各种寄生参数非常敏感,连接器传输线的阻抗不连续、串扰、噪声、时间延迟、损耗等因素相互影响最终可能导致信号不能正确通过连接器传输到接收端。在高速连接器的设计过程中,已经不能仅仅满足实现电路的逻辑和机械连接功能,更需对电连接器的信号完整性进行深入研究,需从传输线及电磁波的角度理解高速信号在电连接器上的传播过程,通过连接器结构的优化,减少传输线的阻抗突变,减小寄生参数的影响,使得信号能够正常不失真地完成在连接器上的传输过程。本文以一款常用于企业服务器的SAS(Serial Attached SCSI)硬盘连接器为研究对象,通过计算机辅助仿真,研究电连接器结构对其信号完整性的影响。本文在建模软件Pro/e中合理去除和电磁仿真无关的冗余结构,建立了SAS硬盘连接器的仿真模型并将其导入电磁仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)中进行连接器的电磁仿真。通过仿真数据曲线,找到了几处影响连接器信号完整性的结构:a)连接器插头和插座相接触部分,该部分存在的寄生电容使SAS硬盘连接器的阻抗降低;b)连接器插头第二信号端口Pin针尾部弯折位置使得该端口Pin针的阻抗升高。本文针对这两点对连接器结构进行优化以实现连接器的阻抗匹配:优化插头和插座连接处Pin针末端结构尺寸,减小插头信号Pin针的长度,除去插座信号Pin针末端多余部分,适当除去信号Pin针周围的介质,消除寄生容抗,使该点阻抗提升;优化连接器插头第二信号端口尾部弯折处壳体结构,在不影响连接器正常的焊接情况下,降低该点阻抗值。两处优化使得连接器中差分对的阻抗更稳定,信号完整性性能得以提升。本文为得到SAS硬盘连接器性能精确的实测信息,选用矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA)作为测试仪器,根据测试要求设计出SAS硬盘连接器测试夹具,并使用校准好的仪器测得SAS硬盘连接器的性能数据。将实测数据与仿真数据相对比,证明了本文中所进行的仿真结果是正确合理可信的。
[Abstract]:Whether it is portable consumer electronics, large enterprise-class servers, or extremely expensive space shuttles, electrical connectors are needed in their circuit systems to deliver power and data between components or systems. However, with the improvement of network speed and the development of storage technology, the amount of data that people need to deal with in a unit time is more and more large, and the signal rate transmitted on the connector is getting higher and higher. However, a large number of high frequency harmonic components in the steep rising edge of high speed signal are very sensitive to the parasitic parameters caused by the connector structure, the impedance of the connector transmission line is discontinuous, crosstalk, noise, time delay, The interaction of loss and other factors may result in the signal being incorrectly transmitted through the connector to the receiver. In the design process of high speed connector, it can not only realize the logic and mechanical connection function of the circuit, but also need to study the signal integrity of the electrical connector. The transmission line and electromagnetic wave should be used to understand the transmission process of high speed signal on the electrical connector. By optimizing the structure of the connector, the impedance mutation of transmission line and the influence of parasitic parameters should be reduced. Enables the signal to normally complete the transmission process on the connector without distortion. In this paper, a SAS (Serial Attached SCSI) hard disk connector, which is often used in enterprise servers, is studied. The effect of electrical connector structure on its signal integrity is studied by computer aided simulation. In this paper, the redundant structure independent of electromagnetic simulation is reasonably removed in the modeling software Pro/e, and the simulation model of the SAS hard disk connector is established and imported into the electromagnetic simulation software HFSS (High Frequency Structure Simulator) to carry out the electromagnetic simulation of the connector. By simulating the data curve, we find several structures that affect the signal integrity of the connector: a) the connector plug and the socket are in contact with each other. The parasitic capacitance in this part reduces the impedance of the SAS hard disk connector. The end bending position of the second signal port Pin pin of the connector causes the impedance of the Pin pin to increase. In this paper, the structure of the connector is optimized to realize the impedance matching of the connector: optimize the structure size of the end of the Pin pin at the plug and socket connection, reduce the length of the plug signal Pin pin, and remove the redundant part of the end of the socket signal Pin pin. The dielectric around the signal Pin pin is removed properly, the parasitic capacitance reactance is eliminated, the impedance of the point is raised, and the shell structure at the end of the second signal port of the connector is optimized to reduce the impedance value of the point without affecting the normal welding condition of the connector. The two optimizations make the impedance of the differential pair in the connector more stable and improve the signal integrity performance. In order to obtain the accurate measurement information of the performance of the SAS hard disk connector, the vector network analyzer (Vector Network Analyzer,VNA) is selected as the testing instrument. According to the test requirements, the test fixture of the SAS hard disk connector is designed. The performance data of SAS hard disk connector are measured by calibrated instrument. By comparing the measured data with the simulation data, it is proved that the simulation results in this paper are correct, reasonable and reliable.
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP333.35

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本文编号：2223375