อิเล็กทรอนิกส์ สถาปัตยกรรมระบบต้องการอัตราข้อมูลที่เร็วขึ้นด้วยรูปแบบการมอดูเลตระดับที่สูงขึ้นในฟอร์มแฟคเตอร์ที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น สิ่งนี้ทำให้เค้าโครงแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) ซับซ้อนขึ้น เนื่องจากนักออกแบบทำงานเพื่อลดการสูญเสียของสายส่งให้เหลือน้อยที่สุด และลดความไวต่อเสียงรบกวน การสะท้อน และสัญญาณข้าม เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณและตรงตามข้อกำหนดอัตราข้อผิดพลาดบิตสูงสุด (BER) นอกจากนี้ สัญญาณหลายเลนทางไฟฟ้าหรือออปติคอลระหว่างไอซีหรือบอร์ดต่อบอร์ดจำเป็นต้องลดการบิดเบือนของสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล
วิธีหนึ่งในการตอบสนองความต้องการเหล่านี้ที่ช่วยให้สามารถใช้พื้นผิวบอร์ดมาตรฐานเพื่อหลีกเลี่ยงต้นทุนที่สูงขึ้นคือการใช้ชุดสายเคเบิลความเร็วสูง แทนที่จะอาศัยการติดตามบอร์ดพีซีเพียงอย่างเดียว ส่วนประกอบเหล่านี้ใช้การกำหนดค่าแบบปลายเดี่ยวและแบบดิฟเฟอเรนเชียล วัสดุขั้นสูง และเทคนิคที่ให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ดีเยี่ยม และรองรับเส้นทางสัญญาณแบบหลายเลนที่มีความหนาแน่นสูงในทองแดงหรือไฟเบอร์ออปติก การใช้งานบางอย่างมีอัตราการทำงานสูงถึง 64 กิกะบิตต่อวินาที (Gbps)
บทความนี้จะกล่าวถึงสิ่งที่ขับเคลื่อนความต้องการความเร็วที่สูงขึ้น และวิธีแก้ไข จากนั้นจะแนะนำชุดสายเคเบิลความเร็วสูงจาก Samtec พร้อมอธิบายความสามารถและการใช้งาน
ความต้องการความเร็ว
โลกกำลังหิวกระหายการสื่อสารที่รวดเร็วยิ่งขึ้น แอปพลิเคชันต่างๆ เช่น โทรศัพท์มือถือ 5G และ 6G ปัญญาประดิษฐ์ (AI) การคำนวณควอนตัม และ 'ข้อมูลขนาดใหญ่' ขับเคลื่อนสถาปัตยกรรมระบบใหม่และต้องการแบนด์วิธที่สูงขึ้นด้วยอัตราการส่งข้อมูลที่เร็วขึ้น ในขณะที่อุปกรณ์และระบบมีขนาดลดลง เทคโนโลยีที่กำลังพัฒนาเหล่านี้ต้องการการเชื่อมต่อระหว่างกันที่สามารถให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณสูงสุด และรักษาอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR) สูงเมื่อมีสัญญาณรบกวน สัญญาณรบกวน สัญญาณรบกวน การสะท้อน การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และการสูญเสียและแหล่งที่มาของการรบกวนอื่นๆ
ความเร็วที่สูงขึ้นจำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงการเชื่อมต่อ เทคโนโลยี- ประการแรก การส่งสัญญาณปลายเดียว ซึ่งข้อมูลถูกส่งด้วยสายเดี่ยวที่อ้างอิงถึงเส้นทางกลับ (มักเรียกว่า 'กราวด์') จะถูกแทนที่ด้วยการเชื่อมต่อสัญญาณที่แตกต่างกัน โดยที่สายสองเส้นนำสัญญาณข้อมูล 180˚ ออกจากเฟส การส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลจะปรับปรุง SNR โดยการระงับสัญญาณรบกวนที่พบบ่อยในตัวนำทั้งสอง (สัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป) ประการที่สอง การเข้ารหัสข้อมูลจะย้ายจากบิตเดียวต่อรอบสัญญาณนาฬิกา การเข้ารหัสแบบไม่กลับไปเป็นศูนย์ (NRZ) ไปเป็นหลายบิตต่อรอบสัญญาณนาฬิกา เช่น การมอดูเลตแอมพลิจูดพัลส์ 4 ระดับ (PAM4) ซึ่งเข้ารหัสสี่ระดับที่แตกต่างกันหรือสองบิตต่อนาฬิกา วงจร (รูปที่ 1)
PAM4 แพ็คข้อมูลสองบิตในแต่ละรอบสัญญาณนาฬิกาโดยใช้สี่ระดับที่เข้ารหัสเป็น 00, 01, 10 หรือ 11 ซึ่งเพิ่มอัตราข้อมูลเป็นสองเท่าสำหรับอัตรานาฬิกาคงที่ แต่ลด SNR เนื่องจากความแปรผันของแอมพลิจูดที่น้อยกว่าระหว่างสถานะข้อมูล ดังนั้นการส่งสัญญาณ PAM4 จึงต้องมีความสมบูรณ์ของสัญญาณในระดับที่สูงกว่า
การกำหนดลักษณะของสายส่ง
ไม่ว่าวงจรพิมพ์จะทำงานหรือสายเคเบิลก็ตาม ประสิทธิภาพของสายส่งมักจะมีลักษณะเฉพาะในโดเมนความถี่โดยพารามิเตอร์การกระเจิง (พารามิเตอร์ s) พารามิเตอร์ S อธิบายคุณสมบัติของอุปกรณ์ตามพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่สังเกตได้ที่อินพุตและเอาต์พุตโดยไม่ทราบส่วนประกอบเฉพาะภายในอุปกรณ์ ตัวเลขข้อดี (FoM) หลายตัวซึ่งอิงตามพารามิเตอร์ s ที่วัดได้ ใช้เพื่ออธิบายอุปกรณ์สองพอร์ต เช่น สายเคเบิล FoM ที่ใช้มากที่สุดคือ:
- การสูญเสียการแทรก: การลดทอนที่เกิดจากสัญญาณที่แพร่กระจายจากอินพุตไปยังเอาต์พุตของสายเคเบิล แสดงเป็นเดซิเบล (dB) (สายส่งในอุดมคติมีการสูญเสียการแทรกที่ 0 dB)
- กลับสูญเสีย: การสูญเสีย (เป็น dB) เนื่องจากการสะท้อนของสัญญาณซึ่งเป็นผลมาจากอิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันที่เอาต์พุต
- ครอสทอล์ค: การวัด (เป็น dB) ของสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ที่ต่อเข้ากับสายส่งเนื่องจากการต่อสายไฟที่อยู่ติดกัน
FoM อื่นๆ ที่น่าสนใจคือความล่าช้าในการแพร่กระจายของสายส่งและการบิดเบือนเวลา ความล่าช้าในการแพร่กระจายคือการหน่วงเวลาของสัญญาณที่แพร่กระจายผ่านสายส่ง การเอียงเวลาคือความแตกต่างของเวลาระหว่างสัญญาณบนสายส่งตั้งแต่สองสายขึ้นไป
ตัวเลือกสายส่ง
เป็นเรื่องท้าทายที่จะตอบสนองความต้องการ FoM ของการกำหนดค่าความถี่สูงแบบหลายช่องทางของมาตรฐานการสื่อสารข้อมูลสมัยใหม่อย่างคุ้มค่าโดยใช้วิธีการออกแบบพื้นผิวบอร์ด PC แบบดั้งเดิม เพื่อแก้ไขปัญหานี้ Samtec Inc. ได้พัฒนาชุดสายเคเบิลความเร็วสูงโดยใช้สายไมโครโคแอกเซียลและ Twinax ที่เป็นกรรมสิทธิ์ของ Eye Speed ซึ่งมีความโดดเด่นในด้านการสูญเสียต่ำและความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ยอดเยี่ยม สายเคเบิลเหล่านี้รวมอยู่ในชุดสายเคเบิลแบบหลายเลน ให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าเนื่องจากมีโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ (รูปที่ 2)
สายโคแอกเชียล Eye Speed มีจำหน่ายโดยมีตัวนำ American Wire Gauge (AWG) ตีเกลียวตรงกลางขนาด 26 ถึง 28 เส้น โครงสร้างสายโคแอกเซียลนี้ให้ความยืดหยุ่นสูง น้ำหนักเบา และมีขนาดเล็ก ซึ่งมีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานในระยะยาว
อิเล็กทริกเกิดขึ้นจากการอัดขึ้นรูปแข็งที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำ มีฟองอากาศ ฟลูออริเนตเอทิลีนโพรพิลีน (FEP) การเกิดฟองทำให้เกิดการบุกรุกของอากาศ ส่งผลให้ความเร็วของสัญญาณสูง ตระกูลสายเคเบิลนี้มีตัวเลือกการเสิร์ฟแบบโลหะ เทป หรือชีลด์แบบถัก เพื่อความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ดีขึ้น
โครงสร้างสายเคเบิล Twinax ของ Eye Speed ใช้ตัวนำทองแดงชุบเงิน 28 ถึง 36 AWG ขนาดสายไฟที่ใหญ่ขึ้นจะช่วยลดการสูญเสียการแทรก ในขณะที่สายไฟที่เล็กกว่าจะมีความยืดหยุ่นมากกว่า การอัดรีดอิเล็กทริกร่วมกันช่วยปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณและแบนด์วิธ ทำให้มีอัตรา 28 ถึง 112 Gbps การออกแบบที่กะทัดรัดส่งผลให้มีการมีเพศสัมพันธ์ที่แน่นหนาระหว่างตัวนำสัญญาณและมีระยะห่างน้อยลงเพื่อให้ระยะพิทช์น้อยลงภายในชุดสายเคเบิล การสูญเสียการแทรกสำหรับ Eye Speed Twinax 0.25 เมตร (ม.) สำหรับข้อมูลที่โอเวอร์คล็อกที่ 14 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) (56 Gbps PAM4) อยู่ในช่วง -1 ถึง -2.2 dB ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของสายไฟ ไทม์มิ่งเอียงระหว่างตัวนำในสาย Twinax น้อยกว่า 3.5 พิโกวินาที (ps) ต่อเมตร สายเคเบิลทั้งสองประเภทรองรับเทคโนโลยี Flyover ของ Samtec
เทคโนโลยีฟลายโอเวอร์คืออะไร?
เทคโนโลยี Flyover ของ Samtec ใช้แบนด์วิดธ์สูงและการสูญเสียชุดสายเคเบิล Eye Speed ต่ำเพื่อทดแทนโครงสร้างบัสออนบอร์ด ซึ่งช่วยลดการสูญเสียได้อย่างมาก (รูปที่ 3)
เทคโนโลยี Flyover ช่วยลดความซับซ้อนของเลย์เอาต์บอร์ดสำหรับอัตราข้อมูลที่สูงกว่า 28 Gbps โดยกำหนดให้มีเลเยอร์บอร์ดน้อยลง นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถใช้วัสดุบอร์ดพีซีที่มีราคาถูกลงได้
ชุดสายเคเบิล Samtec
มีตัวเลือกการประกอบสายเคเบิลไมโครโคแอกเซียลและ Twinax ของ Eye Speed ที่หลากหลาย มีจำหน่ายในรูปแบบอาร์เรย์ความหนาแน่นสูงและนำเสนอคุณสมบัติต่างๆ เช่น อินทิกรัลกราวด์เพลน ขั้วต่อกระเทย การคลายความเครียด และตัวเลือกการเชื่อมต่อและการล็อคต่างๆ
ตัวอย่างเช่น ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 เป็นชุดสายเคเบิลแบบปลั๊กต่อปลั๊กแบบเพรียวบางแบบต่อตรงที่มีคู่สัญญาณ 16 คู่ขนาด 6 นิ้ว (นิ้ว) (152.4 มิลลิเมตร (มม.) ) ยาวและรองรับการส่งสัญญาณ PAM64 4 Gbps (รูปที่ 4)
ส่วนประกอบนี้ประกอบด้วยสายเคเบิล Twinax แบบเอียงต่ำพิเศษ 16 เส้นในการออกแบบสองแถวความหนาแน่นสูง โดยแยกออกเป็น 32 หน้าสัมผัส ด้วยระยะพิทช์ 0.025 นิ้ว (0.635 มม.) หน้าสัมผัสจะถูกบัดกรีโดยตรงกับตัวนำ Twinax เพื่อความสมบูรณ์ของสัญญาณที่เหมาะสมที่สุด สายเคเบิลเป็นแบบดิฟเฟอเรนเชียล 100 โอห์ม (Ω) โดยใช้ลวด 34 AWG และมีจำหน่ายในรูปแบบ 8 และ 24 คู่ มีช่วงอุณหภูมิในการทำงานตั้งแต่ -40°C ถึง +125°C
ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B เป็นชุดสายเคเบิลแบบการ์ดถึงขอบการ์ดที่ประกอบด้วยสายเคเบิลโคแอกเชียล 50 Ω แบบปลายเดี่ยวจำนวน 40 แถวพร้อมขั้วต่อหน้าสัมผัส 5 เส้น (รูป 12). ความยาวสายเคเบิลคือ 305 นิ้ว (XNUMX มม.)
สายโคแอกเซียลใช้ตัวนำกลาง AWG 34 ตัวที่จัดเรียงเป็นสายแพ ระยะพิทช์ของขั้วต่อคือ 0.0315 นิ้ว (0.80 มม.) สายเคเบิลเหล่านี้ได้รับการจัดอันดับให้รองรับสัญญาณ 14 Gbps ตัวเชื่อมต่อใช้กลไกการล็อคสลักแบบบีบเพื่อให้แน่ใจว่าการผสมพันธุ์เป็นบวก ทางเลือก ชุดประกอบมีให้เลือกใช้สายเคเบิล 10 ถึง 60 เส้นต่อแถวพร้อมกลไกการล็อคที่หลากหลาย ทั้งหมดทำงานในช่วงอุณหภูมิ -25°C ถึง +105°C
ชุดสายเคเบิล HLCD-20-40-00-TR-TR-2 ใช้สายเคเบิลปลายเดี่ยวขนาด 50 Ω สองแถวจำนวนสิบแถวที่มีความยาว 40 นิ้ว (1.02 ม.) มีหน้าสัมผัสสี่สิบหน้าด้วยระยะหน้าสัมผัส 0.0197 นิ้ว (0.5 มม.) (รูปที่ 6)
ขั้วต่อกระเทยมีหมุดและซ็อกเก็ตที่สามารถต่อเข้ากับขั้วต่อเดียวกันได้ ใช้ในการใช้งานที่ไม่จำเป็นต้องมีโพลาไรซ์หน้าสัมผัส เช่น คู่ข้อมูลแบบสองทิศทาง
HLCD-20-40.00-TR-TR-2 มีตัวเลือกช่วงอุณหภูมิการทำงานมาตรฐานหรือขยายที่ -25°C ถึง +105°C หรือ -40°C ถึง +125°C ตามลำดับ
ชุดสายเคเบิล HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B ใช้สายเคเบิล Twinax 100 Ω, 30 AWG สองแถว โดยมีความยาว 12 นิ้ว (305 มม.) มีสายเคเบิล 20 เส้น ใช้ขั้วต่อแบบปลั๊กต่อขอบการ์ด และได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงานที่ 14 Gbps (รูปที่ 7)
กลุ่มผลิตภัณฑ์นี้มีตัวเลือกสายเคเบิล 20, 40 หรือ 60 เส้น และตัวเชื่อมต่อแบบพื้นผิวและแบบติดตั้งที่ขอบที่หลากหลาย และมีระยะพิทช์ของตัวเชื่อมต่อ 0.020 นิ้ว (0.5 มม.)
สรุป
อัตราข้อมูลที่สูงขึ้นยังคงผลักดันนักออกแบบให้แสวงหาวิธีการใหม่ ๆ เพื่อรับรองความสมบูรณ์ของสัญญาณ การทำงานร่วมกับ Samtec ช่วยให้สามารถก้าวข้ามข้อจำกัดของบัสส่งสัญญาณบอร์ดพีซีแบบหลายเลนแบบคลาสสิก และใช้ประโยชน์จากชุดสายเคเบิลประสิทธิภาพสูง ยืดหยุ่น และคุ้มค่าที่หลากหลาย ซึ่งตรงตามหรือเกินกว่าข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งานด้านการสื่อสารในปัจจุบัน .