Elettronico le architetture di sistema necessitano di velocità dati più elevate con schemi di modulazione di livello superiore in fattori di forma più compatti. Ciò complica il layout della scheda a circuito stampato (scheda pc) poiché i progettisti lavorano per ridurre al minimo le perdite della linea di trasmissione e ridurre la suscettibilità al rumore, alle riflessioni e alla diafonia per mantenere l'integrità del segnale e soddisfare i requisiti di tasso massimo di errore di bit (BER). Inoltre, i segnali elettrici o ottici multicorsia tra circuiti integrati o scheda-scheda richiedono una distorsione del segnale ridotta al minimo, soprattutto nelle coppie di segnali differenziali.
Un modo per soddisfare queste esigenze che consente l'uso di substrati di scheda standard per evitare costi più elevati è utilizzare assemblaggi di cavi ad alta velocità invece di fare affidamento esclusivamente sulle tracce della scheda PC. Questi gruppi utilizzano configurazioni single-ended e differenziali, materiali avanzati e tecniche che forniscono un'eccellente integrità del segnale e supportano percorsi di segnale multi-corsia ad alta densità in rame o fibra ottica. Alcune implementazioni prevedono velocità operative fino a 64 gigabit al secondo (Gbps).
Questo articolo discute cosa sta determinando la necessità di una maggiore velocità e come viene affrontata. Successivamente presenta i cavi assemblati ad alta velocità di Samtec e ne descrive le capacità e l'utilizzo.
La necessità di velocità
Il mondo ha fame di comunicazioni più veloci. Applicazioni come la telefonia mobile 5G e 6G, l'intelligenza artificiale (AI), l'informatica quantistica e i "Big Data" guidano nuove architetture di sistema e richiedono larghezze di banda più elevate a velocità di trasmissione più elevate, riducendo al contempo le dimensioni del dispositivo e del sistema. Queste tecnologie in via di sviluppo richiedono interconnessioni in grado di fornire la massima integrità del segnale e mantenere elevati rapporti segnale-rumore (SNR) in presenza di rumore, diafonia, riflessioni, interferenze elettromagnetiche e altre perdite e fonti di interferenza.
Velocità più elevate hanno reso necessari cambiamenti nella connessione la tecnologia. Innanzitutto, la trasmissione del segnale single-ended, in cui i dati vengono trasportati da un singolo filo riferito a un percorso di ritorno (spesso indicato come "massa"), viene soppiantata da connessioni di segnale differenziali in cui due fili trasportano segnali di dati sfasati di 180°. La segnalazione differenziale migliora l'SNR sopprimendo il rumore comune ai due conduttori (rumore di modo comune). In secondo luogo, la codifica dei dati si sta spostando dalla codifica a bit singolo per ciclo di clock, senza ritorno a zero (NRZ), a più bit per ciclo di clock, come la modulazione di ampiezza dell'impulso a 4 livelli (PAM4), che codifica quattro livelli distinti o due bit per clock ciclo (Figura 1).
PAM4 racchiude due bit di dati in ciascun ciclo di clock utilizzando quattro livelli codificati come 00, 01, 10 o 11. Ciò raddoppia la velocità dei dati per una frequenza di clock fissa ma diminuisce l'SNR a causa delle minori variazioni di ampiezza tra gli stati dei dati. La segnalazione PAM4, pertanto, richiede un livello più elevato di integrità del segnale.
Caratterizzazione delle prestazioni della linea di trasmissione
Che si tratti di circuiti stampati o cavi, le prestazioni della linea di trasmissione sono solitamente caratterizzate nel dominio della frequenza da parametri di dispersione (parametri s). I parametri S descrivono le proprietà di un dispositivo in base al comportamento elettrico osservato sugli ingressi e sulle uscite senza conoscere i componenti specifici all'interno del dispositivo. Diverse cifre di merito (FoM), basate sui parametri s misurati, vengono utilizzate per descrivere dispositivi a due porte come i cavi. I FoM più utilizzati sono:
- Perdita di inserzione: L'attenuazione subita da un segnale che si propaga dall'ingresso all'uscita di un cavo, espressa in decibel (dB) (una linea di trasmissione ideale ha una perdita di inserzione di 0 dB)
- Perdita di ritorno: La perdita (in dB) dovuta alle riflessioni del segnale risultanti da un disadattamento di impedenza in uscita
- Diafonia: Una misura (in dB) dei segnali indesiderati accoppiati alla linea di trasmissione a causa del cablaggio adiacente
Altri FoM di interesse sono il ritardo di propagazione della linea di trasmissione e lo sfasamento temporale. Il ritardo di propagazione è il ritardo temporale di un segnale che si propaga attraverso una linea di trasmissione. Lo sfasamento temporale è la differenza temporale tra i segnali su due o più linee di trasmissione.
Opzioni della linea di trasmissione
È difficile soddisfare in modo economicamente vantaggioso i requisiti FoM delle configurazioni multi-linea ad alta frequenza dei moderni standard di comunicazione dati utilizzando approcci tradizionali alla progettazione del substrato della scheda PC. Per risolvere questo problema, Samtec Inc. ha sviluppato cavi assemblati ad alta velocità utilizzando i cavi micro coassiali e twinax brevettati Eye Speed, che si distinguono per la bassa perdita e l'eccellente integrità del segnale. Questi cavi, incorporati in cavi assemblati a più corsie, offrono prestazioni superiori grazie alla loro struttura unica (Figura 2).
I cavi coassiali Eye Speed sono disponibili con conduttori a filo centrale da 26 a 28 AWG (American Wire Gauge). Questa costruzione del cavo coassiale si traduce in elevata flessibilità, leggerezza e dimensioni ridotte, che sono particolarmente importanti per corse più lunghe.
Il dielettrico è formato come estrusione solida di etilene propilene fluorurato (FEP) a bassa costante dielettrica, schiumato con aria. La formazione di schiuma crea intrusioni d'aria, con conseguente elevata velocità del segnale. Questa famiglia di cavi offre una scelta di schermature metalliche, a nastro o intrecciate per una migliore integrità del segnale.
La struttura del cavo twinax Eye Speed utilizza conduttori in rame placcato argento da 28 a 36 AWG. I cavi di dimensioni maggiori garantiscono perdite di inserzione inferiori, mentre i cavi più piccoli offrono una maggiore flessibilità. La coestrusione del dielettrico migliora l'integrità del segnale e la larghezza di banda, consentendo velocità da 28 a 112 Gbps. Il design compatto garantisce un accoppiamento stretto tra i conduttori di segnale e una spaziatura ridotta per un passo più piccolo all'interno del gruppo di cavi. La perdita di inserzione per 0.25 metri (m) di Eye Speed twinax per dati con clock a 14 gigahertz (GHz) (56 Gbps PAM4) è compresa tra -1 e -2.2 dB, a seconda del diametro del filo. Lo sfasamento temporale tra i conduttori nel cavo twinax è inferiore a 3.5 picosecondi (ps) per metro. Entrambi i tipi di cavo supportano la tecnologia Flyover di Samtec.
Cos'è la tecnologia Flyover?
La tecnologia Flyover di Samtec sfrutta l'elevata larghezza di banda e la bassa perdita dei gruppi di cavi Eye Speed per sostituire le strutture del bus di bordo, riducendo significativamente le perdite (Figura 3).
Richiedendo meno strati della scheda, la tecnologia Flyover semplifica il layout della scheda per velocità dati superiori a 28 Gbps. Consente inoltre l'uso di materiali per schede pc meno costosi.
Assemblaggi di cavi Samtec
È disponibile un'ampia gamma di opzioni di assemblaggio di cavi micro coassiali e twinax Eye Speed. Sono disponibili come array ad alta densità e offrono funzionalità come piani di massa integrati, connettori ermafroditi, serracavo e varie opzioni di collegamento e aggancio.
Ad esempio, ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 è un sottile cavo assemblato da spina a spina con collegamento diretto con 16 coppie di segnali da 6 pollici (pollici) (152.4 millimetri (mm) ) di lunghezza e supporta la segnalazione PAM64 a 4 Gbps (Figura 4).
Questo gruppo comprende 16 cavi twinax a bassissima inclinazione in un design a due file ad alta densità suddiviso in 32 contatti con un passo di 0.025 pollici (0.635 mm). I contatti sono saldati direttamente ai conduttori twinax per un'integrità ottimale del segnale. I cavi hanno un differenziale da 100 ohm (Ω) utilizzando un cavo da 34 AWG e sono disponibili in configurazioni da 8 e 24 coppie. Hanno un intervallo di temperatura operativa compreso tra -40°C e +125°C.
L'ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B è un cavo assemblato da bordo a bordo scheda comprendente due file di venti cavi coassiali da 50 Ω a terminazione singola con un connettore da 40 contatti (Figura 5). La lunghezza del cavo è 12 mm (305 pollici).
Le linee coassiali utilizzano conduttori centrali da 34 AWG disposti come un cavo a nastro. Il passo del connettore è 0.0315 pollici (0.80 mm). Questi cavi sono progettati per gestire segnali a 14 Gbps. I connettori utilizzano un meccanismo di bloccaggio con chiusura a pressione per garantire un accoppiamento positivo. Opzionalmente, il gruppo è disponibile con da 10 a 60 cavi per fila con una varietà di meccanismi di bloccaggio. Funzionano tutti in un intervallo di temperature compreso tra -25°C e +105°C.
Il gruppo cavi HLCD-20-40-00-TR-TR-2 utilizza due file di dieci cavi a terminazione singola da 50 Ω con una lunghezza di 40 m (1.02 pollici). Fornisce quaranta contatti con un passo di contatto di 0.0197 mm (0.5 pollici) (Figura 6).
I connettori ermafroditi hanno pin e prese che possono essere accoppiati insieme allo stesso connettore. Vengono utilizzati in applicazioni in cui non è richiesta la polarizzazione dei contatti, come coppie di dati bidirezionali.
L'HLCD-20-40.00-TR-TR-2 offre una scelta di intervalli di temperatura operativa standard o estesi rispettivamente da -25°C a +105°C o da -40°C a +125°C.
Il gruppo cavi HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B utilizza doppie file di cavi twinax da 100 Ω, 30 AWG. Misura 12 mm (305 pollici) di lunghezza, dispone di 20 cavi, utilizza un connettore plug-to-card-edge ed è progettato per funzionare a 14 Gbps (Figura 7).
Questa famiglia offre opzioni da 20, 40 o 60 cavi e una varietà di connettori per montaggio su superficie e su bordo e ha un passo del connettore di 0.020 pollici (0.5 mm).
Conclusione
Velocità di trasmissione dati più elevate continuano a spingere i progettisti a cercare modi innovativi per garantire l'integrità del segnale. Lavorare con Samtec consente loro di superare i vincoli dei classici bus di segnalazione su scheda PC multi-linea e di sfruttare un'ampia gamma di cavi assemblati ad alte prestazioni, flessibili ed economici che soddisfano o superano le specifiche delle odierne applicazioni di comunicazione .