إلكتروني تحتاج بنيات النظام إلى معدلات بيانات أسرع مع مخططات تعديل ذات مستوى أعلى في عوامل شكل أكثر إحكاما. يؤدي هذا إلى تعقيد تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة (لوحة الكمبيوتر) حيث يعمل المصممون على تقليل خسائر خط النقل وتقليل التعرض للضوضاء والانعكاسات والتداخل للحفاظ على سلامة الإشارة وتلبية الحد الأقصى لمتطلبات معدل خطأ البت (BER). كما أن الإشارات الكهربائية أو الضوئية متعددة المسارات بين الدوائر المتكاملة أو من لوحة إلى لوحة تتطلب تقليل انحراف الإشارة، خاصة في أزواج الإشارات التفاضلية.
إحدى الطرق لتلبية هذه الاحتياجات التي تسمح باستخدام ركائز اللوحة القياسية لتجنب ارتفاع التكاليف هي استخدام مجموعات الكابلات عالية السرعة بدلاً من الاعتماد فقط على آثار لوحة الكمبيوتر. تستخدم هذه التجميعات تكوينات أحادية الطرف وتفاضلية، ومواد متقدمة، وتقنيات توفر سلامة إشارة ممتازة، وتدعم مسارات إشارة عالية الكثافة ومتعددة المسارات في النحاس أو الألياف الضوئية. تتميز بعض التطبيقات بمعدلات تشغيل تصل إلى 64 جيجابت في الثانية (Gbps).
تتناول هذه المقالة ما الذي يدفع الحاجة إلى سرعة أعلى وكيفية معالجتها. ثم يقدم بعد ذلك تجميعات الكابلات عالية السرعة من Samtec ويصف إمكانياتها واستخدامها.
الحاجة للسرعة
العالم متعطش لاتصالات أسرع. تعمل تطبيقات مثل شبكات الجيل الخامس والسادس الخلوية والذكاء الاصطناعي (AI) والحوسبة الكمومية و"البيانات الضخمة" على دفع بنيات النظام الجديدة وتتطلب نطاقات ترددية أعلى بمعدلات نقل أسرع مع تقليص حجم الجهاز والنظام. تتطلب هذه التقنيات النامية وصلات بينية يمكنها توفير أعلى مستوى من سلامة الإشارة والحفاظ على نسب عالية من الإشارة إلى الضوضاء (SNRs) في وجود الضوضاء والتداخل والانعكاسات والتداخل الكهرومغناطيسي وغيرها من الخسائر ومصادر التداخل.
لقد استلزمت السرعات الأعلى إجراء تغييرات في الاتصال التكنلوجيا. أولاً، يتم استبدال إرسال الإشارة أحادية الطرف، حيث يتم نقل البيانات بواسطة سلك واحد يشير إلى مسار العودة (يشار إليه غالبًا باسم "الأرضي")، بوصلات الإشارة التفاضلية حيث يحمل سلكان إشارات البيانات بزاوية 180 درجة خارج الطور. تعمل الإشارات التفاضلية على تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) عن طريق قمع الضوضاء المشتركة بين الموصلين (ضوضاء الوضع الشائع). ثانيًا، ينتقل تشفير البيانات من بت واحد لكل دورة على مدار الساعة، وترميز عدم العودة إلى الصفر (NRZ) إلى بتات متعددة لكل دورة على مدار الساعة، مثل مستوى تعديل سعة النبضة 4 (PAM4)، الذي يشفر أربعة مستويات متميزة أو بتتين لكل ساعة. دورة (الشكل 1).
تقوم PAM4 بحزم بتتين من البيانات في كل دورة ساعة باستخدام أربعة مستويات مشفرة كـ 00 أو 01 أو 10 أو 11. وهذا يضاعف معدل البيانات لمعدل ساعة ثابت ولكنه يقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بسبب اختلافات السعة الأصغر بين حالات البيانات. وبالتالي، تتطلب إشارات PAM4 مستوى أعلى من سلامة الإشارة.
توصيف أداء خط النقل
سواء تم تشغيل الدوائر المطبوعة أو الكابلات، فإن أداء خط النقل يتميز عادة في مجال التردد من خلال معلمات التشتت (معلمات s). تصف معلمات S خصائص الجهاز بناءً على السلوك الكهربائي الملاحظ عند المدخلات والمخرجات دون معرفة المكونات المحددة داخل الجهاز. يتم استخدام العديد من أرقام الجدارة (FoMs)، استنادًا إلى معلمات s المقاسة، لوصف الأجهزة ذات المنفذين مثل الكابلات. أكثر FoMs استخدامًا هي:
- خسارة الإدراج: التوهين الذي تتعرض له الإشارة التي تنتشر من دخل الكابل إلى مخرجه، معبرًا عنه بالديسيبل (ديسيبل) (يحتوي خط النقل المثالي على خسارة إدخال قدرها 0 ديسيبل)
- عودة الخسارة: الخسارة (بالديسيبل) بسبب انعكاسات الإشارة الناتجة عن عدم تطابق المعاوقة عند الخرج
- الحديث المتبادل: قياس (بالديسيبل) للإشارات غير المرغوب فيها المقترنة بخط النقل بسبب الأسلاك المجاورة
ومن مجالات FoM الأخرى ذات الاهتمام تأخير انتشار خط النقل وانحراف الوقت. تأخير الانتشار هو التأخير الزمني للإشارة التي تنتشر عبر خط النقل. الانحراف الزمني هو الفارق الزمني بين الإشارات على خطين أو أكثر من خطوط النقل.
خيارات خط النقل
من الصعب تلبية متطلبات FoM للتكوينات عالية التردد ومتعددة المسارات لمعايير اتصالات البيانات الحديثة باستخدام أساليب تصميم الركيزة التقليدية للوحة الكمبيوتر الشخصي بشكل فعال من حيث التكلفة. ولمعالجة هذه المشكلة، قامت شركة Samtec Inc. بتطوير مجموعات كابلات عالية السرعة باستخدام كابلات Eye Speed micro coax و Twinax الخاصة بها، والتي تتميز بفقدانها المنخفض وسلامة الإشارة الممتازة. توفر هذه الكابلات، المدمجة في مجموعات الكابلات متعددة المسارات، أداءً فائقًا نظرًا لبنيتها الفريدة (الشكل 2).
تتوفر الكابلات المحورية ذات سرعة العين مع موصلات مركزية مقاس 26 إلى 28 سلكًا أمريكيًا (AWG). ينتج عن بناء الكابل المحوري هذا مرونة عالية، ووزن خفيف، وحجم صغير، وهو أمر مهم بشكل خاص للرحلات الطويلة.
يتم تشكيل العازل الكهربائي على شكل قذف صلب ذو ثابت عازل منخفض، ورغوة الهواء، وبروبيلين الإيثيلين المفلور (FEP). تؤدي الرغوة إلى حدوث تسرب للهواء، مما يؤدي إلى سرعة إشارة عالية. توفر عائلة الكابلات هذه خيارًا من الدروع المعدنية أو الشريط أو الدروع المضفرة لتحسين سلامة الإشارة.
يستخدم بناء كابل Twinax Eye Speed موصلات نحاسية مطلية بالفضة من 28 إلى 36 AWG. توفر أحجام الأسلاك الأكبر خسائر أقل في الإدخال، بينما توفر الأسلاك الأصغر مرونة أكبر. يعمل البثق المشترك للعازل على تحسين سلامة الإشارة وعرض النطاق الترددي، مما يتيح معدلات تتراوح من 28 إلى 112 جيجابت في الثانية. يؤدي التصميم المدمج إلى اقتران محكم بين موصلات الإشارة وتباعد أصغر من أجل درجة أصغر داخل مجموعة الكابلات. تتراوح خسارة الإدراج لـ 0.25 متر (م) من Twinax لسرعة العين للبيانات المسجلة عند 14 جيجا هرتز (56 جيجابت في الثانية PAM4) من -1 إلى -2.2 ديسيبل، اعتمادًا على قطر السلك. إن انحراف التوقيت بين الموصلات في كابل Twinax أقل من 3.5 بيكو ثانية (ps) لكل متر. يدعم كلا النوعين من الكابلات تقنية Samtec Flyover.
ما هي تقنية Flyover؟
تستخدم تقنية Flyover من Samtec عرض النطاق الترددي العالي والخسارة المنخفضة لمجموعات كابلات Eye Speed لاستبدال هياكل الحافلات الموجودة على متن الحافلة، مما يقلل الخسائر بشكل كبير (الشكل 3).
من خلال طلب عدد أقل من طبقات اللوحة، تعمل تقنية Flyover على تبسيط تخطيطات اللوحة لمعدلات البيانات التي تزيد عن 28 جيجابت في الثانية. كما يسمح باستخدام مواد أقل تكلفة للوحة الكمبيوتر.
تجميعات الكابلات Samtec
هناك مجموعة واسعة من خيارات تجميع الكابلات المحورية الصغيرة وكابلات Twinax من Eye Speed. وهي متوفرة كمصفوفات عالية الكثافة وتوفر ميزات مثل المستويات الأرضية المتكاملة والموصلات الخنثوية وتخفيف الضغط وخيارات التوصيل والإغلاق المتنوعة.
على سبيل المثال، ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 عبارة عن مجموعة كابلات رفيعة قابلة للتوصيل والتوصيل المباشر مع 16 زوجًا من الإشارات يبلغ طولها 6 بوصات (152.4 ملم) ) طويل ويدعم إشارات PAM64 بسرعة 4 جيجابت في الثانية (الشكل 4).
يشتمل هذا التجميع على 16 كابلًا مزدوجًا منخفض الانحراف للغاية بتصميم عالي الكثافة مكون من صفين مقسم إلى 32 جهة اتصال بمسافة تبلغ 0.025 بوصة (0.635 مم). يتم لحام جهات الاتصال مباشرة بموصلات Twinax لضمان سلامة الإشارة بشكل مثالي. تتميز الكابلات بمقاومة تفاضلية 100 أوم (Ω) باستخدام سلك 34 AWG وهي متوفرة في تكوينات مكونة من 8 و24 زوجًا. تتراوح درجة حرارة التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية.
إن ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B عبارة عن مجموعة كابلات من حافة البطاقة إلى حافة البطاقة تشتمل على صفين من عشرين كابلًا محوريًا أحادي الطرف بقطر 50 أوم مع موصل اتصال 40 (الشكل 5). طول الكابل 12 بوصة (305 ملم).
تستخدم الخطوط المحورية 34 موصلاً مركزيًا AWG مرتبة ككابل شريطي. تبلغ مسافة الموصل 0.0315 بوصة (0.80 مم). تم تصنيف هذه الكابلات للتعامل مع إشارات بسرعة 14 جيجابت في الثانية. تستخدم الموصلات آلية قفل مزلاج الضغط لضمان التزاوج الإيجابي. اختياريًا، يتوفر التجميع مع 10 إلى 60 كابلًا لكل صف مع مجموعة متنوعة من آليات الإغلاق. تعمل جميعها في نطاق درجة حرارة يتراوح بين -25 درجة مئوية إلى +105 درجة مئوية.
تستخدم مجموعة الكابلات HLCD-20-40-00-TR-TR-2 صفين من عشرة كابلات أحادية الطرف بقطر 50 أوم بطول 40 بوصة (1.02 م). يوفر أربعين جهة اتصال بمسافة اتصال تبلغ 0.0197 بوصة (0.5 مم) (الشكل 6).
تحتوي الموصلات الخنثى على دبابيس ومآخذ يمكن تزاوجها مع نفس الموصل. يتم استخدامها في التطبيقات التي لا تتطلب استقطاب الاتصال، مثل أزواج البيانات ثنائية الاتجاه.
يوفر HLCD-20-40.00-TR-TR-2 خيارًا لنطاقات درجة حرارة التشغيل القياسية أو الممتدة من -25 درجة مئوية إلى +105 درجة مئوية أو -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية، على التوالي.
تستخدم مجموعة الكابلات HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B صفوفًا مزدوجة من كابلات Twinax 100 Ω و30 AWG. يبلغ طوله 12 بوصة (305 ملم)، ويحتوي على 20 كابلًا، ويستخدم موصلًا متصلاً بحافة البطاقة، وقد تم تصنيفه للتشغيل بسرعة 14 جيجابت في الثانية (الشكل 7).
توفر هذه العائلة خيارات من 20 أو 40 أو 60 كابلًا ومجموعة متنوعة من الموصلات السطحية والمثبتة على الحافة، ولها مسافة توصيل تبلغ 0.020 بوصة (0.5 مم).
وفي الختام
تستمر معدلات البيانات المرتفعة في دفع المصممين إلى البحث عن طرق مبتكرة لضمان سلامة الإشارة. إن العمل مع Samtec يسمح لهم بالارتقاء فوق القيود التي تفرضها حافلات إشارات لوحة الكمبيوتر الكلاسيكية متعددة المسارات، والاستفادة من مجموعة واسعة من مجموعات الكابلات عالية الأداء والمرونة والفعالة من حيث التكلفة التي تلبي أو تتجاوز مواصفات تطبيقات الاتصالات الحالية .