CN1601503A - 用于背板的总线类型连接系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别针对电子系统的布线背板的总线连接系统，这里的总线包括不规律分布的连接器。它包括选择段，在每段中连接器之间的间隔是基本相同的，除了一段以外，改变所有线段的结构，使得改变的各段的有效阻抗与未修改的一段的有效阻抗相等。这就产生了从一端到另一端都满足匹配要求的总线，并且可以工作在很高的频率上，仅仅是轻微地减小了其传播常数。

Description

用于背板的总线类型连接系统

技术领域

本发明涉及总线类型连接系统，即涉及包括一对或者多对两线(two wire)线路的连接系统，在该系统中用于连接电子设备的连接器可以位于线路的任意位置。

在编码系统的帮助下，在总线上收发线路上传播的信息，一般地，该编码系统是时间编码系统，它决定了当前传送的信息所相关的设备。总线通常包括一组线路，用于平行地传输信息。这种系统广泛地应用于个人电脑(PC)中，用来连接扩展卡。它也广泛地应用在专用的电子设备中，用于背板的布线，其中所述背板插有组成需要的硬件的电路卡。

背景技术

连接器通常以相等的间隔固定在背板上，它们通过电导线相连，从一个连接器到下一个连接器的导线的长度都是相同的。这样的组合形成了传输线或者多重传输线，这些传输线具有固定特征阻抗，可以以很高的频率传输信号，尤其是数字信号，而信号的畸变很小。

在某些特定的情况下，连接器之间距离不可能保持为相等，沿着线路的特征阻抗更改为是连接器之间距离的函数。这引起沿着线路的传输时间的变化和区域化反射。这些现象导致传输信号的畸变，限制了信号可以被传输的频率。

发明内容

为了克服这些限制，本发明提出了一种总线连接系统，特别用于背板，包括传输线，沿着传输线有用来容纳电子线路卡的连接器，传输线至少包括两段，每一段都包括一组按照常数等间隔设置的连接器，不同段的间隔都是明显不同的，而且所述电子线路卡改变了所连接的段的阻抗，产生了有效阻抗，该系统的特征在于，相对于其他段的传输线路，改变一段传输线路的结构，使得该段的有效阻抗与其他段的有效阻抗一致。

本解决方案的优点在于除了需要正确的传输线的参数以外，并不涉及任何额外的制造成本。

根据另一特征，该系统包括一组段，在所述段的各个连接器之间，各段分别具有明显不同的间隔，其特征在于，除了一段以外，其他各段传输线的结构都相对于给定的一段修改，以保证它们的有效阻抗与未修改的段相同。

根据另一特征，未修改的段的有效阻抗是最低的。

根据另一特征，未修改的段的连接器间隔是最短的。

根据另一特征，每段线都是给定厚度的导体线段，通过改变线的宽度来改变线的结构。。

根据另一特征，该系统包括一组传输线，所有这些传输线都是通过相同的方式来修改的。

附图说明

通过阅读后续描述，本发明的其他特征和优点将会变得很清晰，后续描述将参照附图进行，其中：

图1示出了包括两个不匹配部分的总线；

图2示出了根据本发明修改过的图1所示的总线；

图3是图1所示的总线上的信号图，以及

图4是图2所示的总线上的信号图。

具体实施方式

图1概略地示出了本发明的一个特定实施方式，它对应于总长度为D1+D2＝75厘米(cm)的一背板总线。为了便于解释，图中只示出了一条与信号相关联的线路，虽然应当理解，总线通常包括很多线路，在那种情况下，本发明以相同方式应用于总线的每一条线路上。

为了在40MHz的频率下使用上述总线，需要采用一定的技术，例如使用导线的微带线(strip-line)技术，因此采取了带有分布式常数的传输线的形式，它的特征阻抗由下列参数决定，例如：L0＝4.73纳秒/厘米(nH/cm)；C0＝1.06皮法/厘米(pF/cm)；Z0＝67欧姆(Ω)；Tpd＝70.7皮秒/厘米(ps/cm)

图中上面部分的物理表现示出了一组输入/输出缓存放大器102，对应于通过连结器(图中没有示出)连接到线101上的线路卡。此线路的两端通过匹配电阻103完成回环。

因为此实施例的特殊原因，第一4个输入/输出放大器按照固定的间隔d₁在长度为D₁的第一段(segment)中排列，最后的5个放大器按照固定的d₂在长度为D₂的第二段中排列。在当前的这个例子中，d₁＝10cm，D₁＝50cm，d₂＝5cm and D₂＝25cm。

每一个放大器从其放置的位置上连接到该线路，这个例子中的额外电容C_L等于12pF。

在图1中的中间部分所示的等效电路中，传输线的行为相当于带有分布常数和一系列感抗的线路，由电感104和并联电容来表示。在整个线路长度上的感抗等于L₀。总线的基本电容由放大器的电容而改变，在D₁长度上的容抗由电容105来表示，其容抗值等于C₀+C_L1；在D₂长度上的容抗由电容106来表示，其容抗值等于C₀+C_L2。C_L1和C_L2的值通过将常数C_L除以相应的长度而得到，所以C_L1＝C_L/d₁并且C_L2＝C_L/d₂。

结果，有效阻抗沿着总线并不始终相等。它在直到第二系列模块的第一个模块107为止的D₁长度上等于Zo_leff，在直到线路的端点的D₂长度上等于Zo_2eff。上述的取值由下列公式给出：

${\mathrm{Zo}}_{1\mathrm{eff}}=\mathrm{Zo}\sqrt{\frac{1}{1+\frac{C_L}{d_1\·C_o}}}$ ${\mathrm{Zo}}_{2\mathrm{eff}}=\mathrm{Zo}\sqrt{\frac{1}{1+\frac{C_L}{d_{2\·}{C}_o}}}$

有效的传播时延会受到相同方式的影响，因此：

${\mathrm{Tpd}}_{1\mathrm{eff}}=\mathrm{Tpd}\sqrt{1+\frac{C_L}{d_1{\·C}_o}}$ ${\mathrm{Tpd}}_{2\mathrm{eff}}=\mathrm{Tpd}\sqrt{1+\frac{C_L}{d_2{\·C}_o}}$

结果，由图1中下部的符号所表示，总线的阻抗在模块5的位置即对应于D₁长度和D₂长度的连接处，具有不连续性。然而，两端可以通过终止对应这些位置的特征阻抗的匹配电阻R_T1和R_T2来达到匹配。

本发明提出更改长度D₁的总线的传输线结构，由此在这段线路上允许输入/输出放大器102带来的效果，在此段线路上的等效特征阻抗等于长度D₂的特征阻抗。在这种情况下，如图2所示(图2与图1使用相同的图例)，带有放大器的总线实现了端到端的匹配。出于技术上的考虑，最好降低最大的阻抗，而不要增加最小的阻抗，例如，那些间隔最短的段。

实现总线的线段结构可以通过调整其几何形状来更改，通常都是改变构成总线的导线的几何参数。通常每段导线的厚度和位置都是固定的，因此只能通过改变线的宽度来改改变其结构。

考虑到物理可能性，通常必须要改变线段D₁上的分布感抗204，使其采用其他的值。例如，等于L₁，并同时改变分布电容，例如使其容抗值等于C₁。总线本身的特征阻抗，例如不考虑放大器102效果的阻抗，等于Z₁。此时，

${\mathrm{Zo}}_{1\mathrm{eff}}={\mathrm{Zo}}_{2\mathrm{eff}}=Z_1\sqrt{\frac{1}{1+\frac{C_L}{d_1{\·C}_1}}}$

因此，可能必须改变两个参数Z₁和C₁，但是这两个参数不是互相独立的，Z₁是根据C₁而变化的。根据实践得知，可以使用迭代的方法，例如首先为C₁设置合适的初始值，然后使用此初始值来计算Z₁的第一个值。Z₁的第一个值用来设置总线的参数，例如使用现成的HP_ADS仿真器。如果按照这种方法得到的参数不合适，可以向物理上合适的方向上修改，从而产生Z₁和C₁的第二个值。计算出相应的阻抗Zo_1eff，这个值肯定与Zo_2eff不同。根据差别的方向，这个过程可以不断重复，直到收敛到Zo_1eff＝Zo_2eff。得出的等效电容205和206分别是C₁+C_L1和C₀+C_L2。

我们已经解释了在两种间隔的情况下的处理方法，这种处理方法同样可以推广到具有多种间隔的情况。

为此，第一步是决定最小的有效阻抗，例如，每一个线段上输入/输出之间都有相同的间隔，通过计算所有部分的阻抗，得到最短间隔的等效阻抗。

上述的方法可以应用到每一个部分，通过前缀x来识别，得到下面的公式：

${\mathrm{Zo}}_{\min \mathrm{eff}}=\mathrm{Zo}\sqrt{\frac{1}{1+\frac{C_L}{d_{\min }{\·C}_o}}}={\mathrm{Zo}}_{\mathrm{xeff}}=\mathrm{Zx}\sqrt{\frac{1}{1+\frac{C_L}{d_x{\·C}_x}}}$

总线终端的匹配电阻可以使用已知的方法来计算。在图2描述的例子中，因为仅有第一部分的阻抗发生了改变，所以仅有输入电阻203改变了。

最后一步是验证总线对于数字信号工作正常，最好使用上面提到的仿真器。如果得到的电路行为不是很好，重复进行上述的操作来得到另一对C₁和L₁。

图3示出了在图1中总线没有正确匹配的例子中，一个矩形波输入信号V_e和在第5个模块和总线输出端的信号V_s1、V_s2。图4示出了在图2中总线正确匹配的例子中相同的信号。图中的单位是电压伏特和纳秒。可以发现性能的改进是非常显著的。

然而，这些改进是通过损害在总线上的整体传输时间得到的，因为总线上各个线段的传播速度都被降低到与最低的那一段相同。

上述描述针对以下情形，即每一段中连接器之间的距离是常数，并且其长度是精确的d₁和d₂。在现实中这种理想的状况是不可能遇到的，但是如果这些间隔基本上是常数，例如它们保持在一个平均值的周围，本发明仍然可以应用。这个平均值就表明了每段的特征。

Claims (6)

1.一种总线连接系统，特别用于背板，包括传输线(101)，沿着传输线有用来容纳电子线路卡(102)的连接器，传输线至少包括两段(D₁，D₂)，每一段都包括一组按照常数等间隔(d₁，d₂)设置的连接器，不同段的间隔都是明显不同的，而且所述电子线路卡改变了所连接的段的阻抗，产生了有效阻抗(Zo_leff)，该系统的特征在于，相对于其他段的传输线路，改变一段传输线路的结构，使得该段的有效阻抗(Zo_leff)与其他段的有效阻抗一致。

2.根据权利要求1的系统，包括一组段(D₁，D₂)，在所述段的各个连接器之间，各段分别具有明显不同的间隔，其特征在于，除了一段以外，其他各段传输线的结构都相对于给定的一段修改，以保证它们的有效阻抗与未修改的段相同。

3.根据权利要求2的系统，其特征在于，未修改的段的有效阻抗(Zo_min eff)是最低的。

4.根据权利要求2的系统，其特征在于，未修改的段的连接器间隔(d₂)是最短的。

5.根据权利要求1到4的任意一项的系统，其特征在于，每段线都是给定厚度的导体线段，通过改变线的宽度来改变线的结构。。

6.根据权利要求1到4的任意一项的系统，其特征在于，它包括一组传输线(101)，所有这些传输线都是通过相同的方式来修改的。

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