elektronisch Systemarchitekturen benötigen schnellere Datenraten mit höheren Modulationsschemata in kompakteren Formfaktoren. Dies verkompliziert das Layout von Leiterplatten (PC-Platinen), da die Entwickler daran arbeiten, Übertragungsleitungsverluste zu minimieren und die Anfälligkeit für Rauschen, Reflexionen und Übersprechen zu verringern, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten und die Anforderungen an die maximale Bitfehlerrate (BER) zu erfüllen. Außerdem erfordern elektrische oder optische Mehrspursignale zwischen ICs oder Board-to-Board einen minimierten Signalversatz, insbesondere bei Differenzsignalpaaren.
Eine Möglichkeit, diesen Anforderungen gerecht zu werden und die Verwendung von Standardplatinensubstraten zur Vermeidung höherer Kosten zu ermöglichen, besteht darin, Hochgeschwindigkeitskabelbaugruppen zu verwenden, anstatt sich ausschließlich auf Leiterplattenleiterbahnen zu verlassen. Diese Baugruppen nutzen Single-Ended- und Differential-Konfigurationen, fortschrittliche Materialien und Techniken, die eine hervorragende Signalintegrität bieten und hochdichte, mehrspurige Signalpfade in Kupfer oder Glasfaser unterstützen. Einige Implementierungen bieten Betriebsraten von bis zu 64 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s).
In diesem Artikel wird erläutert, was den Bedarf an höherer Geschwindigkeit antreibt und wie diesem begegnet wird. Anschließend werden Hochgeschwindigkeitskabelkonfektionen von Samtec vorgestellt und deren Fähigkeiten und Verwendung beschrieben.
Das Verlangen nach Geschwindigkeit
Die Welt sehnt sich nach schnellerer Kommunikation. Anwendungen wie 5G- und 6G-Mobilfunk, künstliche Intelligenz (KI), Quantencomputing und „Big Data“ treiben neue Systemarchitekturen voran und erfordern höhere Bandbreiten bei schnelleren Übertragungsraten bei gleichzeitiger Verkleinerung der Geräte- und Systemgröße. Diese sich entwickelnden Technologien erfordern Verbindungen, die höchste Signalintegrität bieten und hohe Signal-Rausch-Verhältnisse (SNRs) bei Vorhandensein von Rauschen, Übersprechen, Reflexionen, elektromagnetischen Störungen und anderen Verlusten und Störquellen aufrechterhalten können.
Höhere Geschwindigkeiten machten Änderungen in der Verbindung erforderlich Technologie. Erstens wird die Single-Ended-Signalübertragung, bei der die Daten über einen einzelnen Draht übertragen werden, der auf einen Rückweg (oft als „Masse“ bezeichnet) verweist, durch Differenzsignalverbindungen ersetzt, bei denen zwei Drähte um 180° phasenverschobene Datensignale übertragen. Differenzielle Signalisierung verbessert das SNR durch Unterdrückung von Rauschen, das beiden Leitern gemeinsam ist (Gleichtaktrauschen). Zweitens bewegt sich die Datenkodierung von der NRZ-Kodierung (Einzelbit pro Taktzyklus, Non-Return to Zero) hin zu mehreren Bits pro Taktzyklus, wie z. B. der Pulsamplitudenmodulation 4 Level (PAM4), die vier verschiedene Ebenen oder zwei Bits pro Takt kodiert Zyklus (Abbildung 1).
PAM4 packt zwei Datenbits in jeden Taktzyklus und verwendet dabei vier Ebenen, die als 00, 01, 10 oder 11 kodiert sind. Dadurch wird die Datenrate bei einer festen Taktrate verdoppelt, aber das SNR verringert sich aufgrund der geringeren Amplitudenschwankungen zwischen den Datenzuständen. Die PAM4-Signalisierung erfordert daher ein höheres Maß an Signalintegrität.
Charakterisierung der Übertragungsleitungsleistung
Unabhängig davon, ob es sich um gedruckte Schaltungen oder Kabel handelt, wird die Leistung von Übertragungsleitungen im Frequenzbereich normalerweise durch Streuparameter (S-Parameter) charakterisiert. S-Parameter beschreiben die Eigenschaften eines Geräts basierend auf dem elektrischen Verhalten, das an den Ein- und Ausgängen beobachtet wird, ohne die spezifischen Komponenten im Gerät zu kennen. Zur Beschreibung von Zwei-Port-Geräten wie Kabeln werden mehrere Gütezahlen (FoMs) verwendet, die auf gemessenen S-Parametern basieren. Die am häufigsten verwendeten FoMs sind:
- Einfügungsverlust: Die Dämpfung, die ein Signal erfährt, das sich vom Eingang zum Ausgang eines Kabels ausbreitet, ausgedrückt in Dezibel (dB) (eine ideale Übertragungsleitung hat eine Einfügedämpfung von 0 dB)
- Rückflussdämpfung: Der Verlust (in dB) aufgrund von Signalreflexionen, die aus einer Impedanzfehlanpassung am Ausgang resultieren
- Übersprechen: Ein Maß (in dB) für unerwünschte Signale, die aufgrund benachbarter Kabel in die Übertragungsleitung eingekoppelt werden
Weitere interessante FoMs sind die Ausbreitungsverzögerung und der Zeitversatz der Übertragungsleitung. Die Ausbreitungsverzögerung ist die Zeitverzögerung eines Signals, das sich über eine Übertragungsleitung ausbreitet. Zeitversatz ist der Zeitunterschied zwischen Signalen auf zwei oder mehr Übertragungsleitungen.
Übertragungsleitungsoptionen
Es ist eine Herausforderung, die FoM-Anforderungen hochfrequenter, mehrspuriger Konfigurationen moderner Datenkommunikationsstandards mit herkömmlichen Ansätzen für das Substratdesign von Leiterplatten kosteneffizient zu erfüllen. Um dieses Problem anzugehen, hat Samtec Inc. Hochgeschwindigkeitskabelbaugruppen unter Verwendung seiner proprietären Eye Speed-Mikrokoax- und Twinax-Kabel entwickelt, die sich durch geringe Verluste und hervorragende Signalintegrität auszeichnen. Diese Kabel, integriert in mehrspurige Kabelbaugruppen, bieten aufgrund ihrer einzigartigen Konstruktion eine überlegene Leistung (Abbildung 2).
Eye Speed-Koaxialkabel sind mit in der Mitte verseilten Leitern mit 26 bis 28 American Wire Gauge (AWG) erhältlich. Diese Koaxialkabelkonstruktion führt zu hoher Flexibilität, geringem Gewicht und geringer Größe, was besonders bei längeren Strecken wichtig ist.
Das Dielektrikum besteht aus einem festen Strangpressteil aus luftgeschäumtem, fluoriertem Ethylenpropylen (FEP) mit niedriger Dielektrizitätskonstante. Durch die Schaumbildung dringt Luft ein, was zu einer hohen Signalgeschwindigkeit führt. Diese Kabelfamilie bietet eine Auswahl an Metallschirmen, Bandschirmen oder Geflechtschirmen für eine verbesserte Signalintegrität.
Die Twinax-Kabelkonstruktion von Eye Speed verwendet versilberte Kupferleiter mit 28 bis 36 AWG. Größere Drahtgrößen sorgen für geringere Einfügungsverluste, während kleinere Drähte eine größere Flexibilität bieten. Die Coextrusion des Dielektrikums verbessert die Signalintegrität und Bandbreite und ermöglicht Geschwindigkeiten von 28 bis 112 Gbit/s. Das kompakte Design führt zu einer engen Kopplung zwischen den Signalleitern und kleineren Abständen für einen kleineren Rastermaß innerhalb der Kabelbaugruppe. Die Einfügungsdämpfung für 0.25 Meter (m) Eye Speed-Twinax für mit 14 Gigahertz (GHz) getaktete Daten (56 Gbit/s PAM4) liegt je nach Drahtdurchmesser im Bereich von -1 bis -2.2 dB. Der Zeitversatz zwischen den Leitern im Twinax-Kabel beträgt weniger als 3.5 Pikosekunden (ps) pro Meter. Beide Kabeltypen unterstützen die Flyover-Technologie von Samtec.
Was ist Flyover-Technologie?
Die Flyover-Technologie von Samtec nutzt die hohe Bandbreite und den geringen Verlust von Eye Speed-Kabelbaugruppen, um Onboard-Busstrukturen zu ersetzen und so Verluste deutlich zu reduzieren (Abbildung 3).
Da weniger Platinenschichten erforderlich sind, vereinfacht die Flyover-Technologie Platinenlayouts für Datenraten über 28 Gbit/s. Es ermöglicht auch die Verwendung kostengünstigerer Leiterplattenmaterialien.
Samtec-Kabelkonfektionen
Es gibt eine große Auswahl an Micro-Koax- und Twinax-Kabelkonfektionierungsoptionen von Eye Speed. Sie sind als High-Density-Arrays erhältlich und bieten Funktionen wie integrierte Masseebenen, hermaphroditische Anschlüsse, Zugentlastung sowie verschiedene Anschluss- und Verriegelungsoptionen.
Beispielsweise handelt es sich bei ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 um eine schlanke, direkt anschließbare Stecker-zu-Stecker-Kabelbaugruppe mit 16 Signalpaaren, die 6 Millimeter (mm) lang ist. ) lang und unterstützt 152.4 Gbit/s PAM64-Signalisierung (Abbildung 4).
Diese Baugruppe besteht aus 16 Twinax-Kabeln mit extrem geringem Skew in einem hochdichten, zweireihigen Design, aufgeteilt in 32 Kontakte mit einem Rastermaß von 0.025 Zoll (0.635 mm). Für optimale Signalintegrität sind die Kontakte direkt mit den Twinax-Leitern verlötet. Die Kabel haben einen Differenzialwiderstand von 100 Ohm (Ω) mit 34 AWG-Draht und sind in Konfigurationen mit 8 und 24 Paaren erhältlich. Sie haben einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C.
Das ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B ist eine Kartenkante-zu-Kartenkante-Kabelbaugruppe, die aus zwei Reihen von zwanzig einseitigen 50-Ω-Koaxialkabeln mit einem 40-Kontakt-Anschluss besteht (Abbildung 5). Die Kabellänge beträgt 12 Zoll (305 mm).
Die Koaxialleitungen verwenden 34 AWG-Mittelleiter, die als Flachbandkabel angeordnet sind. Der Steckerabstand beträgt 0.0315 Zoll (0.80 mm). Diese Kabel sind für die Verarbeitung von 14-Gbit/s-Signalen ausgelegt. Die Steckverbinder verfügen über einen Quetschverriegelungsmechanismus, um eine formschlüssige Verbindung zu gewährleisten. Optional ist die Baugruppe mit 10 bis 60 Kabeln pro Reihe mit verschiedenen Rastmechanismen erhältlich. Alle arbeiten in einem Temperaturbereich von -25 °C bis +105 °C.
Die Kabelbaugruppe HLCD-20-40-00-TR-TR-2 verwendet zwei Reihen von zehn 50-Ω-Single-Ended-Kabeln mit einer Länge von 40 Zoll (1.02 m). Es bietet vierzig Kontakte mit einem Kontaktabstand von 0.0197 Zoll (0.5 mm) (Abbildung 6).
Hermaphroditische Steckverbinder verfügen über Stifte und Buchsen, die mit demselben Steckverbinder zusammengesteckt werden können. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen keine Kontaktpolarisierung erforderlich ist, beispielsweise bei bidirektionalen Datenpaaren.
Der HLCD-20-40.00-TR-TR-2 bietet eine Auswahl an Standard- oder erweiterten Betriebstemperaturbereichen von -25 °C bis +105 °C bzw. -40 °C bis +125 °C.
Die Kabelbaugruppe HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B verwendet zwei Reihen von 100 Ω, 30 AWG Twinax-Kabeln. Es ist 12 Zoll (305 mm) lang, verfügt über 20 Kabel, verwendet einen Plug-to-Card-Edge-Anschluss und ist für den Betrieb mit 14 Gbit/s ausgelegt (Abbildung 7).
Diese Familie bietet Optionen mit 20, 40 oder 60 Kabeln und eine Vielzahl von oberflächen- und kantenmontierbaren Steckverbindern und verfügt über einen Steckverbinderabstand von 0.020 Zoll (0.5 mm).
Zusammenfassung
Höhere Datenraten zwingen Entwickler weiterhin dazu, nach innovativen Wegen zu suchen, um die Signalintegrität sicherzustellen. Die Zusammenarbeit mit Samtec ermöglicht es ihnen, die Einschränkungen klassischer mehrspuriger Leiterplatten-Signalbusse zu überwinden und von einer breiten Palette leistungsstarker, flexibler und kostengünstiger Kabelkonfektionen zu profitieren, die die Spezifikationen heutiger Kommunikationsanwendungen erfüllen oder übertreffen .