Электронный системные архитектуры требуют более высоких скоростей передачи данных со схемами модуляции более высокого уровня в более компактных форм-факторах. Это усложняет компоновку печатной платы (PC Board), поскольку проектировщики стараются минимизировать потери в линии передачи и уменьшить восприимчивость к шуму, отражениям и перекрестным помехам, чтобы сохранить целостность сигнала и удовлетворить требования к максимальной частоте ошибок по битам (BER). Кроме того, электрические или оптические многоканальные сигналы между микросхемами или между платами требуют минимального искажения сигнала, особенно в парах дифференциальных сигналов.
Одним из способов удовлетворения этих потребностей, который позволяет использовать стандартные подложки плат, чтобы избежать более высоких затрат, является использование высокоскоростных кабельных сборок вместо того, чтобы полагаться исключительно на дорожки печатной платы. В этих сборках используются несимметричные и дифференциальные конфигурации, современные материалы и технологии, которые обеспечивают превосходную целостность сигнала и поддерживают многополосные сигнальные пути высокой плотности по медному или оптическому волокну. В некоторых реализациях рабочая скорость достигает 64 гигабит в секунду (Гбит/с).
В этой статье обсуждается, что вызывает необходимость в более высокой скорости и как она решается. Затем он представляет высокоскоростные кабельные сборки от Samtec и описывает их возможности и использование.
Потребность в скорости
Мир жаждет более быстрой связи. Такие приложения, как сотовая связь 5G и 6G, искусственный интеллект (ИИ), квантовые вычисления и «большие данные», стимулируют новые системные архитектуры и требуют более высокой пропускной способности и более высоких скоростей передачи, одновременно уменьшая размер устройства и системы. Эти развивающиеся технологии требуют межсоединений, которые могут обеспечить высочайшую целостность сигнала и поддерживать высокие отношения сигнал/шум (SNR) в присутствии шума, перекрестных помех, отражений, электромагнитных помех и других потерь и источников помех.
Более высокие скорости потребовали изменений в соединении. technology. Во-первых, несимметричная передача сигналов, при которой данные передаются по одному проводу, связанному с обратным каналом (часто называемым «землей»), вытесняется дифференциальными сигнальными соединениями, когда два провода передают сигналы данных, сдвинутые по фазе на 180°. Дифференциальная передача сигналов улучшает отношение сигнал/шум за счет подавления шума, общего для двух проводников (синфазный шум). Во-вторых, кодирование данных переходит от кодирования одного бита за такт, кодирования без возврата к нулю (NRZ), к нескольким битам за такт, например, 4-й уровень импульсной амплитудной модуляции (PAM4), который кодирует четыре различных уровня или два бита за такт. цикл (рис. 1).
PAM4 упаковывает два бита данных в каждый тактовый цикл, используя четыре уровня, закодированные как 00, 01, 10 или 11. Это удваивает скорость передачи данных для фиксированной тактовой частоты, но уменьшает SNR из-за меньших колебаний амплитуды между состояниями данных. Поэтому передача сигналов PAM4 требует более высокого уровня целостности сигнала.
Характеристика производительности линии электропередачи
Будь то печатные платы или кабели, характеристики линии передачи обычно характеризуются в частотной области параметрами рассеяния (s-параметрами). S-параметры описывают свойства устройства на основе электрического поведения, наблюдаемого на входах и выходах, без знания конкретных компонентов внутри устройства. Несколько показателей качества (FoM), основанных на измеренных s-параметрах, используются для описания двухпортовых устройств, таких как кабели. Наиболее часто используемые FoM:
- Вносимые потери: Затухание, испытываемое сигналом, распространяющимся от входа к выходу кабеля, выраженное в децибелах (дБ) (идеальная линия передачи имеет вносимые потери 0 дБ).
- Обратные потери: Потери (в дБ) из-за отражения сигнала, возникающего из-за несоответствия импеданса на выходе
- Перекрестные помехи: Мера (в дБ) нежелательных сигналов, попавших в линию передачи из-за соседней проводки.
Другими интересными параметрами FoM являются задержка распространения сигнала в линии передачи и временной сдвиг. Задержка распространения — это временная задержка сигнала, распространяющегося по линии передачи. Временная асимметрия — это разница во времени между сигналами на двух или более линиях передачи.
Варианты линий электропередачи
Экономически эффективно удовлетворить требования FoM для высокочастотных многоканальных конфигураций современных стандартов передачи данных, используя традиционные подходы к проектированию подложек печатных плат. Чтобы решить эту проблему, компания Samtec Inc. разработала высокоскоростные кабельные сборки с использованием собственных микрокоаксиальных и твинаксиальных кабелей Eye Speed, которые отличаются низкими потерями и превосходной целостностью сигнала. Эти кабели, объединенные в многожильные кабельные сборки, обеспечивают превосходные характеристики благодаря своей уникальной конструкции (рис. 2).
Коаксиальные кабели Eye Speed доступны с центральными многопроволочными проводниками сечением от 26 до 28 по американскому калибру (AWG). Такая конструкция коаксиального кабеля обеспечивает высокую гибкость, малый вес и небольшой размер, что особенно важно для длинных трасс.
Диэлектрик изготавливается в виде твердого экструзии вспененного на воздухе фторированного этиленпропилена (ФЭП) с низкой диэлектрической проницаемостью. Вспенивание приводит к проникновению воздуха, что приводит к высокой скорости сигнала. В этом семействе кабелей предусмотрен выбор металлических экранов, ленточных или плетеных экранов для повышения целостности сигнала.
В конструкции твинаксиального кабеля Eye Speed используются посеребренные медные жилы сечением от 28 до 36 AWG. Провода большего размера обеспечивают меньшие вносимые потери, а провода меньшего размера обеспечивают большую гибкость. Совместное выдавливание диэлектрика улучшает целостность сигнала и пропускную способность, обеспечивая скорость от 28 до 112 Гбит/с. Компактная конструкция обеспечивает плотную связь между сигнальными проводниками и меньшее расстояние для меньшего шага внутри кабельной сборки. Вносимые потери для Twinax Eye Speed на расстоянии 0.25 метра (м) для данных с тактовой частотой 14 гигагерц (ГГц) (56 Гбит/с PAM4) находятся в диапазоне от -1 до -2.2 дБ, в зависимости от диаметра провода. Временной сдвиг между проводниками твинаксиального кабеля составляет менее 3.5 пикосекунд (пс) на метр. Оба типа кабеля поддерживают технологию Samtec Flyover.
Что такое технология Flyover?
Технология Flyover компании Samtec использует высокую пропускную способность и низкие потери кабельных сборок Eye Speed для замены структур бортовых шин, что значительно снижает потери (рис. 3).
Требуя меньшего количества слоев платы, технология Flyover упрощает компоновку платы для скоростей передачи данных выше 28 Гбит/с. Это также позволяет использовать менее дорогие материалы для печатных плат.
Кабельные сборки Samtec
Существует широкий выбор вариантов сборки микрокоаксиальных и твинаксиальных кабелей Eye Speed. Они доступны в виде массивов высокой плотности и обладают такими функциями, как встроенные заземляющие поверхности, гермафродитные разъемы, разгрузка от натяжения, а также различные варианты подключения и фиксации.
Например, ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 представляет собой тонкий кабельный узел прямого подключения типа «штепсель к вилке» с 16 сигнальными парами длиной 6 дюймов (дюйма) (152.4 мм). ) длиной и поддерживает передачу сигналов PAM64 со скоростью 4 Гбит/с (рис. 4).
Эта сборка состоит из 16 твинаксиальных кабелей со сверхнизким перекосом в двухрядной конструкции высокой плотности, разбитых на 32 контакта с шагом 0.025 дюйма (0.635 мм). Контакты припаиваются непосредственно к твинаксиальным проводникам для оптимальной целостности сигнала. Кабели имеют дифференциальное сопротивление 100 Ом (Ом), используются провода сечением 34 AWG и доступны в 8- и 24-парных конфигурациях. Они имеют диапазон рабочих температур от -40°C до +125°C.
ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B представляет собой кабельную сборку от края карты до края карты, состоящую из двух рядов по двадцать несимметричных коаксиальных кабелей сопротивлением 50 Ом с 40-контактным разъемом (рис. 5). Длина кабеля составляет 12 дюймов (305 мм).
В коаксиальных линиях используются центральные проводники сечением 34 AWG, выполненные в виде ленточного кабеля. Шаг разъема составляет 0.0315 дюйма (0.80 мм). Эти кабели рассчитаны на обработку сигналов со скоростью 14 Гбит/с. В разъемах используется фиксирующий механизм с защелкой, обеспечивающий надежное соединение. Опционально доступна сборка с количеством кабелей от 10 до 60 в ряд с различными механизмами фиксации. Все они работают в диапазоне температур от -25°C до +105°C.
В кабельной сборке HLCD-20-40-00-TR-TR-2 используются два ряда по десять несимметричных кабелей сопротивлением 50 Ом и длиной 40 дюймов (1.02 м). Он содержит сорок контактов с шагом контактов 0.0197 дюйма (0.5 мм) (рис. 6).
Гермафродитные соединители имеют штыри и гнезда, которые можно соединить с одним и тем же соединителем. Они используются в приложениях, где поляризация контактов не требуется, например, в двунаправленных парах данных.
HLCD-20-40.00-TR-TR-2 предлагает на выбор стандартный или расширенный диапазон рабочих температур от -25°C до +105°C или от -40°C до +125°C соответственно.
В кабельной сборке HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B используются два ряда твинаксиальных кабелей 100 Ом, 30 AWG. Его длина составляет 12 дюймов (305 мм), он имеет 20 кабелей, использует разъем для подключения к карте и рассчитан на работу со скоростью 14 Гбит/с (рис. 7).
Это семейство предлагает варианты с 20, 40 или 60 кабелями, а также различными разъемами для поверхностного и краевого монтажа и имеет шаг разъемов 0.020 дюйма (0.5 мм).
Заключение
Более высокие скорости передачи данных продолжают подталкивать разработчиков к поиску инновационных способов обеспечения целостности сигнала. Сотрудничество с Samtec позволяет им преодолеть ограничения классических многополосных сигнальных шин на печатных платах и воспользоваться преимуществами широкого спектра высокопроизводительных, гибких и экономичных кабельных сборок, которые соответствуют или превосходят спецификации современных коммуникационных приложений. .