CN102292879A - 降低电连接器中的远端串扰 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过使用新的极性交换来除去远端串扰(FEXT)的累积效应从而降低FEXT的连接器。时滞调整被用来改善极性交换技术对FEXT的抵消。对FEXT源之间的一个或多个极性反转位置进行优化，以实现对FEXT的最大抵消。新的极性交换技术可以应用于各种连接器，诸如夹层连接器、背板连接器以及可以从FEXT降低中受益的任何其他连接器。

Description

降低电连接器中的远端串扰

相关申请的交叉引用

本申请基于2009年1月22日提交的第61/146,614号美国临时专利申请和2009年11月5日提交的第12/613,501号美国非临时专利申请，并且本发明要求这些申请的优先权。前述申请的全部内容通过引用合并到本文中，就像在本文中充分地阐明了这些内容一样。

技术领域

本发明总体上涉及用于降低远端串扰(FEXT)的系统，并且更具体地，涉及传送差分信号并且可以传送差分信号和单端信号二者的电连接器中的FEXT的降低。

背景技术

随着电路速度的增加，差分信号已成为在诸如个人电脑、服务器、交换机和路由器这样的应用中传送数据的优选方法。

对于所考虑的差分受害者对(victim pair)，当相邻的攻击者对(aggressor pair)中的至少一对是激活的(active)的时候，整个数据传送通路都出现来自这些相邻对的不想要的电磁耦合(即串扰)。当攻击者的传送器和受害者的接收器物理上彼此远离(例如位于不同的芯片)时，所引入的串扰称为远端串扰(或者FEXT)。一般地，在芯片到芯片通讯系统中，由于信号线极为接近，所以芯片封装、连接器、线缆、印刷电路板(PCB)走线和过孔都是FEXT的源。

通过在连接器中或者在系统中引入附加的自感和/或自电容或者耦合电感和/或耦合电容，已经进行了若干种降低FEXT的尝试。该想法基于FEXT与电感耦合系数和电容耦合系数之差成比例，因此，通过平衡这两个耦合系数，可以降低FEXT。美国专利7,317,318 B2是这样的尝试在应用于连接器时的示例，而美国专利2007/0275607 A1是这样的尝试在应用于系统时的示例。然而，这些尝试已经相对来说不足以降低FEXT了，特别是在更高频的系统中。因此，需要有更好的方式来降低FEXT。

还有几个实现了用于降低或抵消串扰的装置的发明，诸如美国专利6,120,330和美国专利5,679,027。然而，这些装置特定用于降低或者抵消特别是在RJ45连接器系统中处于100MHz频率处或者低于100MHz频率处的近端串扰(NEXT)。

发明内容

FEXT是一种累积效应，并且，如果数据传送通路(即信道)中有多于一个FEXT发生器，则通过简单的布线变化，就会对相邻差分对的极性进行至少一次交换。该相邻对的极性交换导致后面的FEXT发生器的相位变化，因此来自后面的FEXT发生器的累积FEXT将会抵消来自前面的FEXT发生器的累积FEXT。这种独立于电感耦合或电容耦合的极性交换可以应用于芯片封装、连接器、印刷电路板(PCB)或者任何经历FEXT的差分系统。低串扰芯片封装和连接器可以设计有内置的极性交换。通过实施本发明的一个或多个实施例，也可以很大程度地改善具有大的单个FEXT部件的系统的总FEXT。

根据本发明的一个方面，在如下数据传送系统中实现该想法，该数据传送系统包括：传送端、接收端、至少一对连接到传送端和接收端的差分对，每对差分对包括正信号线和负信号线，其中，至少一对差分对在传送端和接收端之间的一个或多个位置处经历极性反转，以使得至少一个传送到接收端的信号由于极性反转而经历降低的FEXT。

本发明另外的方面包括如下系统，该系统包括：传送端、接收端、至少一条单端信号线、至少一对连接到传送端和接收端的差分对，每对差分对包括正信号线和负信号线，其中，一对或多对差分对在传送端和接收端之间的一个或多个位置处经历极性反转。

本发明另外的方面包括如下系统，该系统包括：传送端、接收端、至少一对连接到传送端和接收端的差分对，差分对包括正信号线和负信号线，其中，各差分对当中的时滞(skew)被最小化以改善对FEXT的抵消。

本发明另外的方面包括如下系统，该系统包括：传送端、接收端、至少一条单端信号线、至少一对连接到传送端和接收端的差分对，差分对包括正信号线和负信号线，其中，各差分对和各单端信号当中的时滞被最小化以改善对FEXT的抵消。

本发明另外的方面包括如下系统，该系统包括：传送端、接收端、至少一条单端信号线、至少一对连接到传送端和接收端的差分对，该差分对包括正信号线和负信号线，其中，各FEXT源当中的一个或多个极性反转位置被优化以实现对FEXT的最大抵消。

本发明另外的方面包括如下连接器，该连接器包括：传送端、接收端、多对连接到传送端和接收端的差分对，每对差分对包括正信号线和负信号线，其中，至少一对差分对在传送端和接收端之间的位置处经历极性反转。

本发明另外的方面包括如下连接器，该连接器包括：传送端、接收端、至少一个单端信号、至少一对连接到传送端和接收端的差分对，每对差分对包括正信号线和负信号线，其中，至少一对差分对在传送端和接收端之间的位置处经历极性反转。

与本发明相关的另外的方面在某种程度上将在接下来的描述中阐明，并且在某种程度上将根据该描述而变得明显，或者可以通过实践本发明来被了解。本发明的各方面可以借助于以下详细描述和所附权利要求中所具体指出的各种元素与各个方面中的元素和组合来实现并获得。

要理解的是，前面的描述和下面的描述二者都仅是示例性的和解释性的，并不意在以任何方式限制所要求保护的发明或其应用。

附图说明

被合并到本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图以示例方式示出了本发明的实施例，并且，这些附图与描述一起用于解释和说明该创新性技术的原理。具体地：

图1示出了可能出现FEXT的示例芯片到芯片通信系统；

图2示出了可能出现FEXT的示例连接器；

图3示出了包括两个FEXT的源的系统的两对差分对；

图4示出了当应用于图3的差分系统时实现极性交换的本发明的实施例；

图5示出了应用于图3的差分系统的、实现极性交换和时滞最小化的本发明的实施例；

图6示出了图3至图5的差分对的FEXT；

图7示出了典型的夹层连接器；

图8示出了图7a的三件式球栅阵列(BGA)夹层连接器在入口和出口二者处的引脚分配；

图9示出了图7a和图8的典型夹层连接器上的差分对8和差分对9之间的FEXT；

图10示出了当应用于夹层连接器时本发明的示例实施例；

图11a和图11b示出了夹层连接器如本发明的实施例所表示的分别在入口和出口处的引脚分配；

图12示出了对图10、图11a和图11b的夹层连接器上的差分对8和差分对9之间的FEXT的改善；

图13示出了典型的背板连接器；

图14示出了当应用于背板连接器时本发明的示例实施例；

图15a示出了传统的卡缘连接器，而图15b是当应用于卡缘连接器时本发明的示例实施例；

图16a和图16b示出了具有两个连接器的芯片到芯片通信系统中的一段数据传送通路；

图17a和图17b示出了本发明的实施例在图16的系统设计中的应用；

图18比较了典型的系统设计的FEXT与应用本发明的实施例的系统设计的FEXT；

图19示出了通过应用本发明的实施例，单端信号1-与差分对信号2+和2-之间的FEXT是如何同样地显著降低的；以及

图20a至图20d示出了在多个FEXT源当中具有一个或多个极性反转的本发明的一个或多个实施例的示例。

具体实施方式

在以下的详细描述中，将参照附图，附图中相同的功能元件用相通的数字表示。上述附图作为示例、而不是作为限制示出了与本发明的原理相一致的具体实施例和实现方式。这些实现方式被足够详细地描述，以使得本领域技术人员能够实践本发明，并且，要理解的是，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以利用其他的实现方式并且可以对各种元件进行结构变化和/或替换。因此，以下详细描述不应在限制意义上进行解释。

图1示出了芯片到芯片通信系统的示例，其中，由传送器101发送的信号在到达接收器107之前可以经过多个芯片封装102、连接器103以及印刷电路板(PCB)106中的走线104和过孔105。在这种芯片到芯片系统内部，芯片封装、连接器、PCB和线缆都是可以利用的部件。

图2示出了电连接器的示例，其中，通过连接器传送的信号可以经过接合部201、固定(retention)部202、焊尾203、连接器前面或后面的导体204或过孔205。

图3示出了具有两个FEXT源302和303的两对差分对300和301。这些FEXT源可以是如图1所示的芯片封装、连接器、PCB过孔或PCB走线。这些FEXT源还可以是如图2所示的连接器内部的焊尾、接合部、固定部、连接器前面或后面的过孔或迹线。这些FEXT源还可以是芯片封装内部的接合线、走线、引线框架或焊球。为了说明极性交换想法是如何起作用的，考虑两对差分对的示例，其中，有两个FEXT源，并且源的前面、源之间和源的后面的迹线不产生串扰。

图4示出了利用创新的极性交换技术的一个或多个实施例来修正的差分对，其中，在两个FEXT源之间的某点401处，两对差分对的相对位置(relative positions)从(1+，1-，2+，2-)变为(1+，1-，2-，2+)。在这种情况下，对2比对1延迟了5ps，这是因为对2需要额外长度的走线来交换位置。在该示例中，通过交换攻击者差分对的正信号线和负信号线的相对位置，大量的累积FEXT被随后的反相FEXT所除去。

图5示出了利用创新的极性交换技术401和两个FEXT源之间的某点处的时滞调整技术501的一个或多个实施例来修正的差分对。在该示例中，通过交换攻击者差分对的正信号线和负信号线的相对位置，并且匹配两对差分对之间的延迟，累积的FEXT几乎完全被随后的反相FEXT所除去。

图6给出了图3至图5中的差分对在频域中的FEXT。根据该图可以看出，通过利用该极性交换技术的一个或多个实施例，显著地降低了FEXT。这种降低的原因可以用以下内容来简略地解释。为了简单起见，暂时假定在对1和对2之间耦合的两个源具有相等的幅度。极性交换导致这两个FEXT在相位上相反，因此这两个FEXT彼此抵消。当存在由交换攻击者对的相对位置所需的额外长度所引起的5ps的时滞时，到达接收器的两个FEXT在相位上不完全相反，导致比消除时滞的情况下更多的FEXT。通过如图5中所做的那样给受害者对增加一些延迟来移除时滞，可以显著地改善对FEXT的抵消，如图6中所见。可以使用严格的数学推导来识别传播模式以及解释极性变化和时滞消除后的小的剩余FEXT。在该仿真中特别关心的是在差分对传送高于1GHz信号的高频系统中FEXT的显著降低。通过利用新的极性反转交换技术，可以在无需很担心FEXT的情况下设计这种高频系统。这会使得电路速度比当前技术所允许的快得多。然而，较低频系统也将会从新的极性交换技术的使用中获益，这在利用差分对和单端信号线二者的系统中可以特别有用。

这种用于极性交换的最佳位置是从一侧累积的FEXT接近总FEXT的50％的位置。尽管如此，即使在交换之前所引入的FEXT与交换之后所引入的FEXT不相等，仍然会消除一些FEXT。

在一些情况下，最理想的是在多个FEXT源当中交换多次。

此外，创新的极性交换技术的实施例还可以应用于单个部件的设计。图7示出了可以应用极性交换技术的两件式夹层连接器705和三件式夹层连接器701的示例。两件式连接器包括插头706和插座707。三件式连接器包括两个插座702和一个内插器703。该内插器又包括多个晶片704，其中每个晶片具有10条信号走线和一个地平面。焊球附接到连接器；图8中示出了各焊球用于三个晶片的相应的引脚分配；而图9中示出了对8和对9之间的差分FEXT。图10示出了实现极性交换技术的实施例的改进的三件式连接器。侧视图1001示出了多个插入内插器中的晶片。每隔一对差分对，信号走线交换其在晶片上的相对位置。使用了两种类型的晶片。一种类型的晶片1005具有交换了的中心对。另外一种类型的晶片1006具有非交换的中心对。这两种类型的晶片在内插器内部彼此相邻地放置，以使得交换了的对从一个晶片到另一晶片是交错的。在该配置中，来自最近的相邻FEXT被极大地降低。从透视图1002可以看出交换部分1003的细节。为了达到对FEXT的最佳抵消，晶片被设计成具有非常小的对间时滞。这是通过特意给非交换的对增加延迟来完成的。在1004中可以看到延迟调整部分的细节。图11a至图11b以及图12中分别示出了焊球的相应的引脚分配和对(8+，8-)与对(9+，9-)之间的差分FEXT。明显的是，本发明的一个或多个实施例的使用导致了图12的FEXT明显小于图9的FEXT。该极性交换技术还可应用于两件式夹层连接器。

极性交换技术还可以应用于背板连接器。图13示出了三件式背板连接器1301和两件式背板连接器1305的示例。三件式背板连接器包括两个插座1302至1303以及内插器1304。两件式背板连接器包括插头1306和插座1307。图14中示出了两件式背板连接器1401和三件式背板连接器1402可以如何利用极性交换技术的示例。

图15示出了可以如何将极性交换技术的一个或多个实施例应用于卡缘连接器的示例。传统的卡缘连接器1501具有直行通过的差分对。示出了直行对1503的细节。利用该极性交换技术的卡缘连接器1502具有交换的差分对。该实施方式1504的细节示出了这些对是如何交换的。

作为示例，图16a示出了传统的芯片到芯片通信系统的一部分，其中来自图7的两个连接器701用在如下“信道”中，该“信道”具有布线在内信号层上的3英寸PCB走线1602、6英寸PCB走线1603以及3英寸PCB走线1604。图16b中示出了连接两个连接器的PCB 1601的顶视图布局。详图1605至1606中示出了PCB走线是如何从连接器布线出来的细节。在这种传统的布线方式中，两对差分对(1+，1-)和(2+，2-)的极性从一个连接器到下一个连接器保持不变。正信号线和负信号线的相关联位置在每个连接器处保持相同。通过这种传统的布线方式，每个连接器产生的FEXT将会累积。

图17a示出了利用本发明的一个或多个实施例的芯片到芯片通信系统的一部分。与图16a相似，该部分包括在如下“信道”中的两个连接器701，该“信道”具有布线在内信号层上的3英寸PCB走线1702、6英寸PCB走线1703以及3英寸PCB走线1704。图17b中示出了连接两个连接器的PCB 1701的顶视图布局。详图1705至1706中示出了PCB走线是如何从连接器布线出来的细节。可以看出，不同于图16a至图16b的系统，图17a至图17b的系统的差分对(2+，2-)的极性从一个连接器到下一个连接器发生交换。差分对在左边的连接器处被配置为1+、1-、2+以及2-，而在右边的连接器处被配置为1+、1-、2-以及2+。差分对(2+，2-)的相对位置从一个连接器到下一个连接器发生改变。由于极性交换，将会抵消产生自两个连接器的FEXT。

图18示出了图16a至图16b以及图17a至图17b的系统的差分对(1+，1-)以及(2+，2-)之间的FEXT。可以看出，本发明的一个或多个实施例的使用在系统中极大地降低了FEXT。

到目前为止，我们将注意力集中在两对差分对之间的FEXT上。然而，本发明的实施例还可应用于差分对和单端信号之间的FEXT。将图16和图17中的1+和1-考虑成两个独立的单端信号。图19示出了通过使用本发明的一个或多个实施例也显著地降低了单端1-和差分对(2+，2-)之间的FEXT。因此，根据该示例，甚至可以降低包括差分对和相邻单端信号的系统的FEXT。

本发明的实施例并不限于仅在两个FEXT源之间进行一次极性交换。可以不止一次地在多个FEXT源当中交换极性。图20a至图20d示出了这样的示例，每个示例包括四个FEXT源和至少一次极性反转。图20a示出了经过四个FEXT源的受害者差分对。没有交换极性的攻击者差分被沿着该受害者对的一侧定位但是在此未示出。在第一FEXT源2001处，10％的攻击者信号耦合至受害者对。在第二FEXT源2002处，20％的攻击者信号耦合至受害者对。因为极性从第一源到第二源保持不变，所以FEXT累积到30％。然后，在进入第三FEXT源2003之前受害者对交换极性，其中30％的攻击者信号耦合至受害者对。因为受害者对的极性在进入第三源之前被交换，所以来自2003的FEXT与从2001至2002累积的FEXT在极性上是相反的，从而它们彼此抵消。这样在三个FEXT源之后留下了0％的累积FEXT。第四FEXT源产生40％的FEXT，因此在系统的端部累积的总FEXT是40％。对于如果以传统的方式进行布线则会看到100％的FEXT的系统或部件，这是显著的改善。

通过在如图20b至图20c中的不同位置处交换极性，可以进一步将该示例中的FEXT降低至20％。图20b示出了极性被交换三次的示例：一次在2001后面、一次在2002后面以及一次在2003后面。在该示例中，从2001和2003处累积的、一个极性的40％的FEXT抵消了从2002和2004处累积的、相反极性的60％的FEXT，从而在受害者对中留下了20％的FEXT。图20c在2003和2004之间交换一次受害者对。来自2004的40％的FEXT被来自2001至2003的60％的FEXT抵消，导致剩余了20％的FEXT。

可以看出，使用本发明的一个或多个实施例、通过一些优化，甚至可以进一步抵消FEXT。图20d示出了极性在2001和2002之间以及在2003和2004之间交换的示例。一个极性的50％的FEXT耦合自源2001和源2004，而相反极性的50％的FEXT耦合自源2002和源2003。这些FEXT源彼此抵消掉，并且在受害者对中留下最少量的FEXT。为了达到对FEXT的最大抵消，可以对交换极性的一个多或多个位置进行优化。图20a至图20d示出了如何可以利用极性交换发明的一个或多个实施例来极大降低FEXT的四个不同示例。

此外，考虑到本文中所公开的本发明的说明书和实践，本发明的其他实施方式对本领域技术人员而言是显然的。意在仅将说明书和示例认为是示例性的，而本发明的真实范围和精神由所附权利要求来表示。

Claims (14)

1.一种降低远端串扰(FEXT)的连接器，所述连接器包括：

传送端；

接收端；

多对差分对，所述差分对连接到所述传送端和所述接收端；每对差分对包括正信号线和负信号线；并且，其中，至少一对差分对在多个FEXT源之间的一个或多个位置处经历极性反转。

2.根据权利要求1所述的连接器，其中，所述多对差分对中的每对的所述正信号线和所述负信号线布置在相对物理位置处，并且，其中，极性反转是通过对在多个FEXT源之间的所述一个或多个位置处经历极性反转的每对差分对的所述正信号线和所述负信号线的所述相对物理位置进行交换来实现的；并且，其中，所述差分对从所述传送端向所述接收端传送信号。

3.根据权利要求1所述的连接器，其中，所述多对差分对中的每对还包括布置在所述传送端处和布置在所述接收端处的分配，所述分配与所述正信号线和所述负信号线相对应；并且，其中，极性反转是通过从所述传送端到所述接收端对经历极性反转的所述至少一对差分对进行布线来实现的，以使得所述正信号线和所述负信号线在所述接收端处的所述分配与所述正信号线和所述负信号线在所述传送端处的所述分配不同。

4.根据权利要求1所述的连接器，其中，每隔一对差分对经历极性反转。

5.根据权利要求4所述的连接器，其中，所述多对差分对被设置成交错阵列配置。

6.根据权利要求1所述的连接器，其中，在至少一对差分对中调整延迟，以缩短时滞。

7.根据权利要求1所述的连接器，其中，各FEXT源当中的所述一个或多个极性反转位置包括被优化以实现对FEXT的最大抵消的至少一个预定点。

8.根据权利要求1所述的连接器，其中，所述连接器是夹层连接器、背板连接器或卡缘连接器中的一种。

9.一种降低远端串扰(FEXT)的连接器，所述连接器包括：

传送端；

接收端；

至少一条单端信号线；

至少一对差分对，所述差分对连接到所述传送端和所述接收端；每对差分对包括正信号线和负信号线；并且，其中，至少一对差分对在多个FEXT源之间的一个或多个位置处经历极性反转。

10.根据权利要求9所述的连接器，其中，所述至少一对差分对中的每对的所述正信号线和所述负信号线布置在相对物理位置处，并且，其中，极性反转是通过对在所述多个FEXT源之间的所述一个或多个位置处经历极性反转的每对差分对的所述正信号线和所述负信号线的所述相对物理位置进行交换来实现的；并且，其中，所述差分对从所述传送端向所述接收端传送信号。

11.根据权利要求9所述的连接器，其中，所述多对差分对中的每对还包括布置在所述传送端处和布置在所述接收端处的分配，所述分配与所述正信号线和所述负信号线相对应；并且，其中，极性反转是通过从所述传送端到所述接收端对经历极性反转的所述至少一对差分对进行布线来实现的，以使得所述正信号线和所述负信号线在所述接收端处的所述分配与所述正信号线和所述负信号线在所述传送端处的所述分配不同。

12.根据权利要求9所述的连接器，其中，在所述至少一对差分对中的一对中或在所述至少一条单端信号线中调整延迟，以缩短时滞。

13.根据权利要求9所述的连接器，其中，各FEXT源当中的所述一个或多个极性反转位置包括被优化以实现对FEXT的最大抵消的至少一个预定点。

14.根据权利要求9所述的连接器，其中，所述连接器是夹层连接器、背板连接器或卡缘连接器中的一种。

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