Eletrônico arquiteturas de sistema precisam de taxas de dados mais rápidas com esquemas de modulação de nível mais alto em formatos mais compactos. Isso complica o layout da placa de circuito impresso (placa de circuito impresso), à medida que os projetistas trabalham para minimizar as perdas na linha de transmissão e reduzir a suscetibilidade a ruídos, reflexões e diafonia para manter a integridade do sinal e atender aos requisitos de taxa máxima de erro de bit (BER). Além disso, sinais elétricos ou ópticos de múltiplas pistas entre ICs ou placa a placa exigem distorção de sinal minimizada, especialmente em pares de sinais diferenciais.
Uma maneira de atender a essas necessidades que permite o uso de substratos de placas padrão para evitar custos mais elevados é usar conjuntos de cabos de alta velocidade em vez de depender apenas de traços de placas de circuito impresso. Esses conjuntos usam configurações diferenciais e de terminação única, materiais avançados e técnicas que fornecem excelente integridade de sinal e suportam caminhos de sinal de múltiplas pistas de alta densidade em cobre ou fibra óptica. Algumas implementações apresentam taxas operacionais de até 64 gigabits por segundo (Gbps).
Este artigo discute o que está motivando a necessidade de maior velocidade e como isso está sendo abordado. Em seguida, apresenta conjuntos de cabos de alta velocidade da Samtec e descreve suas capacidades e uso.
A necessidade de velocidade
O mundo está ávido por comunicações mais rápidas. Aplicações como celular 5G e 6G, inteligência artificial (IA), computação quântica e “Big Data” impulsionam novas arquiteturas de sistema e exigem larguras de banda mais altas com taxas de transmissão mais rápidas, ao mesmo tempo que reduzem o tamanho do dispositivo e do sistema. Essas tecnologias em desenvolvimento exigem interconexões que possam fornecer a mais alta integridade de sinal e manter altas relações sinal-ruído (SNRs) na presença de ruído, diafonia, reflexões, interferência eletromagnética e outras perdas e fontes de interferência.
Velocidades mais altas exigiram mudanças na conexão tecnologia. Primeiro, a transmissão de sinal de terminação única, onde os dados são transportados por um único fio referenciado a um caminho de retorno (muitas vezes referido como 'terra'), está sendo suplantada por conexões de sinal diferencial, onde dois fios transportam sinais de dados 180˚ fora de fase. A sinalização diferencial melhora o SNR suprimindo o ruído comum aos dois condutores (ruído de modo comum). Em segundo lugar, a codificação de dados está mudando de um único bit por ciclo de clock, codificação sem retorno a zero (NRZ) para vários bits por ciclo de clock, como modulação de amplitude de pulso de 4 níveis (PAM4), que codifica quatro níveis distintos ou dois bits por clock ciclo (Figura 1).
O PAM4 empacota dois bits de dados em cada ciclo de clock usando quatro níveis codificados como 00, 01, 10 ou 11. Isso dobra a taxa de dados para uma taxa de clock fixa, mas diminui o SNR devido às menores variações de amplitude entre os estados de dados. A sinalização PAM4, portanto, requer um nível mais alto de integridade de sinal.
Caracterizando o desempenho da linha de transmissão
Quer sejam circuitos impressos ou cabos, o desempenho da linha de transmissão é geralmente caracterizado no domínio da frequência por parâmetros de espalhamento (parâmetros s). Os parâmetros S descrevem as propriedades de um dispositivo com base no comportamento elétrico observado nas entradas e saídas sem conhecer os componentes específicos dentro do dispositivo. Várias figuras de mérito (FoMs), baseadas em parâmetros s medidos, são usadas para descrever dispositivos de duas portas, como cabos. Os FoMs mais utilizados são:
- Perda de inserção: A atenuação experimentada por um sinal que se propaga da entrada para a saída de um cabo, expressa em decibéis (dB) (uma linha de transmissão ideal tem uma perda de inserção de 0 dB)
- Perda de retorno: A perda (em dB) devido a reflexões de sinal resultantes de uma incompatibilidade de impedância na saída
- Conversa cruzada: Uma medida (em dB) de sinais indesejados acoplados à linha de transmissão devido à fiação adjacente
Outros FoMs de interesse são o atraso de propagação da linha de transmissão e a distorção temporal. O atraso de propagação é o atraso de tempo de propagação de um sinal através de uma linha de transmissão. A distorção de tempo é a diferença de tempo entre os sinais em duas ou mais linhas de transmissão.
Opções de linha de transmissão
É um desafio atender de maneira econômica aos requisitos FoM de configurações de alta frequência e múltiplas pistas dos padrões modernos de comunicação de dados usando abordagens tradicionais de projeto de substrato de placa de PC. Para resolver isso, a Samtec Inc. desenvolveu conjuntos de cabos de alta velocidade usando seus cabos micro coaxiais e twinaxiais Eye Speed, que são notáveis por sua baixa perda e excelente integridade de sinal. Esses cabos, incorporados em conjuntos de cabos multivias, oferecem desempenho superior devido à sua construção exclusiva (Figura 2).
Os cabos coaxiais Eye Speed estão disponíveis com condutores trançados centrais de 26 a 28 bitola americana (AWG). Esta construção de cabo coaxial resulta em alta flexibilidade, peso leve e tamanho pequeno, que são especialmente importantes para percursos mais longos.
O dielétrico é formado como uma extrusão sólida de baixa constante dielétrica, espuma de ar, etileno propileno fluorado (FEP). A formação de espuma cria intrusões de ar, resultando em alta velocidade do sinal. Esta família de cabos oferece opções de blindagem metálica, fita ou trançada para melhorar a integridade do sinal.
A construção do cabo Twinax Eye Speed utiliza condutores de cobre banhados a prata de 28 a 36 AWG. Fios maiores proporcionam menores perdas de inserção, enquanto fios menores oferecem maior flexibilidade. A coextrusão do dielétrico melhora a integridade do sinal e a largura de banda, permitindo taxas de 28 a 112 Gbps. O design compacto resulta em um acoplamento firme entre os condutores de sinal e um espaçamento menor para um passo menor dentro do conjunto de cabos. A perda de inserção para 0.25 metros (m) de Eye Speed twinax para dados com clock de 14 gigahertz (GHz) (56 Gbps PAM4) está na faixa de -1 a -2.2 dB, dependendo do diâmetro do fio. A diferença de tempo entre os condutores no cabo twinax é inferior a 3.5 picossegundos (ps) por metro. Ambos os tipos de cabo suportam a tecnologia Flyover da Samtec.
O que é a tecnologia Flyover?
A tecnologia Flyover da Samtec utiliza a alta largura de banda e a baixa perda dos conjuntos de cabos Eye Speed para substituir estruturas de barramento integradas, reduzindo significativamente as perdas (Figura 3).
Ao exigir menos camadas de placa, a tecnologia Flyover simplifica o layout da placa para taxas de dados acima de 28 Gbps. Também permite o uso de materiais de placa de circuito impresso mais baratos.
Conjuntos de cabos Samtec
Há uma ampla gama de opções de montagem de cabos micro coaxiais e twinax Eye Speed. Eles estão disponíveis como matrizes de alta densidade e oferecem recursos como planos de aterramento integrais, conectores hermafroditas, alívio de tensão e várias opções de conexão e travamento.
Por exemplo, o ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 é um conjunto de cabo fino, plug-to-plug, de conexão direta com 16 pares de sinais que mede 6 polegadas (pol.) (152.4 milímetros (mm) ) de comprimento e suporta sinalização PAM64 de 4 Gbps (Figura 4).
Este conjunto compreende 16 cabos twinax de inclinação ultrabaixa em um design de duas fileiras de alta densidade divididos em 32 contatos com passo de 0.025 pol. (0.635 mm). Os contatos são soldados diretamente aos condutores twinaxiais para integridade ideal do sinal. Os cabos são diferenciais de 100 ohms (Ω) usando fio 34 AWG e estão disponíveis em configurações de 8 e 24 pares. Eles têm uma faixa de temperatura operacional de -40°C a +125°C.
O ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B é um conjunto de cabos de ponta a ponta da placa que compreende duas fileiras de vinte cabos coaxiais de 50 Ω de terminação única com um conector de 40 contatos (Figura 5). O comprimento do cabo é de 12 mm (305 pol.).
As linhas coaxiais usam condutores centrais 34 AWG dispostos como um cabo plano. O passo do conector é de 0.0315 pol. (0.80 mm). Esses cabos são classificados para lidar com sinais de 14 Gbps. Os conectores usam um mecanismo de travamento com trava para garantir um acoplamento positivo. Opcionalmente, o conjunto está disponível com 10 a 60 cabos por fileira com diversos mecanismos de travamento. Todos operam em uma faixa de temperatura de -25°C a +105°C.
O conjunto de cabos HLCD-20-40-00-TR-TR-2 usa duas fileiras de dez cabos de terminação única de 50 Ω com comprimento de 40 m (1.02 pol.). Ele fornece quarenta contatos com um passo de contato de 0.0197 pol. (0.5 mm) (Figura 6).
Os conectores hermafroditas possuem pinos e soquetes que podem ser acoplados ao mesmo conector. Eles são usados em aplicações onde a polarização de contato não é necessária, como pares de dados bidirecionais.
O HLCD-20-40.00-TR-TR-2 oferece uma escolha de faixas de temperatura operacional padrão ou estendida de -25°C a +105°C ou -40°C a +125°C, respectivamente.
O conjunto de cabos HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B usa fileiras duplas de cabos twinax de 100 Ω e 30 AWG. Ele mede 12 mm (305 pol.) de comprimento, tem 20 cabos, usa um conector plug-to-card-edge e é classificado para operação a 14 Gbps (Figura 7).
Esta família oferece opções de 20, 40 ou 60 cabos e uma variedade de conectores de montagem em superfície e em borda, e tem um passo de conector de 0.020 pol. (0.5 mm).
Conclusão
Taxas de dados mais altas continuam incentivando os projetistas a buscar formas inovadoras de garantir a integridade do sinal. Trabalhar com a Samtec permite que eles superem as restrições dos barramentos clássicos de sinalização de placas de circuito impresso de múltiplas pistas e aproveitem uma ampla gama de conjuntos de cabos de alto desempenho, flexíveis e econômicos que atendem ou excedem as especificações das aplicações de comunicação atuais. .