电子连接器（electrical connector）是泛指所有用在电子讯号与电源上的连接组件及附属配件，广义的连接器还包含插座、插头及Cable组立等。从电子购装的观点上来看，连接器是互相连接（interconnection）部份可离合或是替换的组件，换言之是所有讯号间的桥梁，因此连接器的性质将会牵动整个电子系统的运作质量。

电子连接器主要的功能为完整且正确的传输讯号，所以在整个电子系统中，电子连接器是一个典型的被动组件，它的发展与演进完全跟着计算机CPU，近年来由于CPU速度不断提高，由早期的33MHz、66MHz，到Pentium III 500MHz至最近的Pentium 4 3.06GHz，连带地提升主板与计算机外设的电子信号传输速度，因此担任电子信号传输桥梁电子连接器的高频电气特性，便成为电子连接器厂商一个重要的议题。

常见高频连接器应用

近几年来由于多媒体影音的快速蓬勃发展，更突显传输信号的重要性，以下介绍目前业界最常使用的高频连接器应用，如(图一)、(图二)、(图三)、(图四)所示：

《图一 USB与Mini-USB》

《图二 IEEE-1394》

《图三 DVI（Digital visual interface）》

《图四 HDMI（High Definition Multimedia Interface）》

信号传输方式及高频传输特性

要了解且进而去设计一个好的高频电子连接器，就必须从信号的传输方式及高频传输的特性着手起，信号的传输方式，可分为两种：一为单端信号（single-ended），如(图五)左图所示；另一为差动信号（differential mode signal）如(图五)右图所示。

《图五 单端信号与差动信号图》

所谓的单端信号，即是在驱动器和接收器中，一个信号的传输仅需要一个导体（端子Pin）。差动信号的传输则是在驱动器和接收器中，需要两个完全相同并且匹配的导体，在这两个导体上所传输的信号为两互补的信号，也就是大小相同（振幅相同）并且极性相反（相位差180度）的两个信号。基于该分析可了解为何在高频传输中会选用差动信号（differential mode signal）。以下针对这两种传轮输方式的优缺点做一说明，如(表一)、(表二)所示。

由于电子连接器为一被动组件，它的主要功能为将信号完整的由IC传至Device及传回IC，而所谓信号完整定义为信号在电路中能以要求的时序和电压做出响应的能力，也就是判断数字讯号是0或是1。当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，该电路就有很好的信号完整性；反之，就出现信号完整性的问题，IC就可能误判或丢失部份数据。

在基本的电路学理论，只是电磁理论马克斯威尔方程序的近似，也就是在特殊的状况下才合理，主要是因为在电路学中，组件大小远小于信号的波长，由于波长远大于组件尺寸时，信号通过组件后电压电流的相位差可以忽略不计，则此时的组件视为集总组件（lumped element），换句话说，当工作频率在微波频段中时，组件的尺寸与波长大小差不多，则信号通过组件后的电压电流位差异很可能有大的差异，则此时的组件为散布组件（distributed element）。

高频影响电子连接器之探讨

至于何种电子连接器必须考虑高频的影响，以下为一般的推论，如(图六)所示。由图六中的推论可得若电子连机器长度大于mm，则必须视为散布组件（distributed element），在此状况下就要考虑高频效应的影响。

《图六 Length of the Rising Edge（L）（electrical Length）推论过程 》

＜图注:状况下就要考虑高频效应的影响。实例说明:USB连接器长度约为33mm，USB 1.1最快传输速度为12Mbps，上升时间（rise Time）为20ns＞

高频问题之探讨

目前各种计算机及通讯设备日益轻、薄、短、小，电子连接器内部之端子与线路愈来愈细密，使得高频的问题更加严重，如：匹配阻抗（impedance）、串音噪声（cross talk）、传递延迟（propagation delay）、衰减（attenuation）、偏移（skew）及上升时间衰减（rise time degradation）等。

匹配阻抗（impedance）

电阻是所谓的集总组件（lumped element），是实数（real number）只会造成信号的衰减；而阻抗是针对分布组件（distributed element）所定义的（传输线原理），为复数（complex number）也就是在高频时因为相对应的波长短，已不再是之前波长远大于组件尺寸，而是波长和组件尺寸差不多或是小于，于是就有阻抗的定义出现。

何谓较好的阻抗？好的阻抗即为阻抗匹配（impedance match），假若连接器所运用在的系统100ohm，此时若连接器设计到都是100ohm时，则是阻抗匹配，若不是100ohm时，就是所谓的阻抗不匹配，阻抗不匹配会形成何影响？

假若阻抗不匹配时，会造成信号传输到连接器时，因为连接器所做的阻抗不是100ohm（或是规范定义的值），造成信号呈现反射，形成信号的衰减；然而连接器主要的功能就是传送信号，并保持信号的完整性，所以连接器造成信号的反射愈少愈好。

换言之，所谓阻抗匹配是让信号传输的环境相同，这样就不会有反射的出现，用甩绳子实验当例子，若前端是细绳（假设低阻抗）后面接粗绳（假设高阻抗），甩动细绳时会有波浪，传到粗绳时因为阻抗的不匹配（传输的环境改变），就会有反射的产生，而高速连接器的规范中所定义的阻抗值都有一个范围，例如DVI其阻抗的定义范围是在上升时间330ps下量测，其值必须为100正负15ohm之内，就符合规范定义的值，因为我们的端子结构较复杂，并不是均匀一致，有弯角和导刺或是宽度的改变，都会造成阻抗的不一致，所以规范都会定义阻抗值在一个范围内。

串音噪声（cross talk）

串音噪声（cross talk）是由动态信号（或时变电压电流）所产生的电磁波对邻近的信号线造成的干扰，在高频的时侯，此种现象将会更加严重，在两信号线间的串音噪声是依据其之间的互容和互感值。一般来说，在数字问题中电感机制所产生的串音噪声问题会较电容机制所产生的严重许多，而串音噪声又可分成远程噪声（又称forward cross talk）和近端噪声（backward cross talk）两种形式，此两种状况皆会影响信号的完整性，使得信号接受端无法接受正确的信号，而可能导致IC的误判。最常见的串音噪声是在两人通电话时，可无意间听到他人声音出现，这是最典型的串音噪声。

传递延迟（propagation delay）

电子信号在导体内的传递速度是依据其周遭的环境来决定，在传输线中的传递速度

《公式一》

所需要的时间称为传递延迟（propagation delay），因此传递延迟为波传速度的倒数，因为传递速度和等效介电常数的平方根成反比，所以传递延迟和等效介电常数的平方根成正比，也就是等效介电常数愈大其传递延迟也愈长。

衰减（attenuation）

衰减是指平均功率（average power）的传输经由待测物（连接器）的输入端到输出端所产生的损失称为衰减，通常是以dB值来测量，而通常会造成衰减的因素有下列几项：

偏移（skew）

偏移是为了确保一对差动信号经过连接器一对端子后，可以保持能接受的差动不平衡，因为在设计连接器时，同一对差动信号的端子其长度要设计成等长，以避免偏移（skew）的产生，确保差动的平衡。

上升时间衰减（rise time degradation）

脉冲信号上升时间的衰减主要是因为沿着传输环境中不连续性所造成，诸如系统加入连接器、电缆，以及pads等，所以在设计连接器时，假若上升时间衰减比规范定义来的大，此时必须减少上升时间的衰减。

电气讯号分析流程及结果

除了上述几个重点外，还有一个值得探讨的问题，那就是EMC的问题，在所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化，有时变化速率还相当快，这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中。EMI有两条途径离开或进入一个电路：辐射和传导。信号辐射是藉由外壳的缝、槽、开孔或其他缺口泄漏出去；而信号传导则藉由耦合到电源、信号和控制在线离开外壳，在开放的空间中自由辐射，从而产生干扰。很多EMI抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现，大多数时侯下面这些简单原则可以有助于实现EMI屏蔽：从源头处降低干扰；藉由屏蔽过滤或接地将干扰产生电路隔离以及增强敏感电路的抗干扰能力等。

在根据上述的理论基础设计出电子连接器后，为确保设计出的连接器能符合高频特性的要求及缩短TRY AND ERROR的时间，有一项必须的工作－仿真分析；以下为电气讯号分析之流程及结果：如(图七)、图(八)、图(九)、图(十)、图(十一)、图(十二)所示：

电气讯号分析流程

《图七 电气讯号分析流程》

《图八 建构3D模块 》

《图九 获得R、L、C等效电路》

阻抗及串音之分析结果

《图十 阻抗（impedance）》

《图十一 近端串音（Near end crosstalk）》

《图十二 远程串音（Far end crosstalk）》

＜批注:工程师可藉由分析的结果来做初步判断，判断目前所使用的材料、尺寸或外观，是否能符合需求，藉由分析找出优化的设计。

数据源:（数据源：工研院）＞

在工程师经过这一连串的设计、分析、确认并制造完成后，必须针对连接器做一连串的验证，以了解以上电子连接器是否符合需求，在高频的验证部份为了将电子连接器与高频测试仪器连接，必须设计与制作具有良好性质的测试板，一个好的测试板设计与准备，不仅是量测步骤的第一步，而且是高速量测中最重要的一环，通常此测试板是利用双面印刷电路板（PCB）来制造，一般的PCB是具有一盎司的铜箔厚度，因此厚度约为1.37mil（或0.034mm），介电质材料为FR4，其介电系数约为4.5，利用具有这样性质PCB来制造微带线（microstrip line）形式的传输线作为测试板，并且控制此微带线的特性阻抗值，以及针对连接器端子的配置来设计via holes和soldering pads，最后再焊上SMA接头，以便接上时域反射仪做量测。

未来因为电子连接器的频率愈来愈高，因此作为测试治具测试板的设计与制作也需随之进步。作为基材（substrate）所选用的材料、信号线的布局与尺寸的设计，都必须要不断的开发，目前作为高频连接器的测试板皆朝向多层板的设计，以达到高频特性需求。

面对不同的连接器时，测试板必须依据连接器其结构与尺寸来设计，不同的连接器必须设计不同的测试板。

结语

由于信号传输的频率不断地提高，相对地突显出连接器制造商其机电整合能力的重要性，在以前低频的时代，连接器制造商只要有机械背景的工程师便可开发出连接器，而今非但要有专业的机构工程做为基础，同时再加上电子工程师配合才能做出符合Time to Market的电子连接器。（作者任职于连展科技）