Użycie odpowiednich zespołów kablowych zapewniających integralność sygnału w szybkiej transmisji danych

Architektury systemów elektronicznych wymagają wyższych szybkości przesyłu danych ze schematami modulacji wyższego poziomu w bardziej kompaktowych obudowach. Komplikuje to układy płytek drukowanych (PCB), ponieważ projektanci pracują nad minimalizacją strat linii przesyłowych i zmniejszeniem podatności na szumy, odbicia i przesłuchy, aby zachować integralność sygnałów i spełnić wymagania dotyczące maksymalnej bitowej stopy błędów (BER). Ponadto elektryczne lub optyczne sygnały wielotorowe między układami scalonymi lub między płytkami wymagają zminimalizowania przekosu sygnału, szczególnie w przypadku par sygnałów różnicowych.

Jednym ze sposobów zaspokojenia tych potrzeb, który pozwala na użycie standardowych podłoży płytek w celu uniknięcia wyższych kosztów, jest użycie szybkich zespołów kablowych zamiast polegania wyłącznie na ścieżkach płytek drukowanych. Zespoły te wykorzystują konfiguracje jednostronne i różnicowe, zaawansowane materiały oraz techniki, które zapewniają doskonałą integralność sygnału i obsługują wielotorowe ścieżki sygnałowe wysokiej gęstości w technologii miedzianej lub światłowodowej. Niektóre implementacje charakteryzują się prędkościami roboczymi dochodzącymi do 64Gbps.

W niniejszym artykule omówiono czynniki stymulujące zapotrzebowanie na wyższe prędkości oraz sposoby postępowania z nimi. Następnie przedstawiono zespoły kablowe wysokich prędkości firmy Samtec® oraz opisano ich możliwości i zastosowanie.

Potrzeba szybkości

Świat żąda szybszej komunikacji. Zastosowania takie jak sieć komórkowa 5G i 6G, sztuczna inteligencja (AI), obliczenia kwantowe i dane big data przyczyniają się do opracowania nowych architektur systemów i wymagają większych szerokości pasma i wyższych szybkości transmisji przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiarów urządzeń i systemów. Te rozwijające się technologie wymagają połączeń, które mogą zapewnić najwyższą integralność sygnału i utrzymać wysoki stosunek sygnału do szumu (SNR) w obecności szumów, przesłuchów, odbić, zakłóceń elektromagnetycznych i innych strat oraz źródeł zakłóceń.

Wyższe prędkości wymusiły zmiany w technologii połączeń. Po pierwsze, jednostronna transmisja sygnału, w której dane są przenoszone przez jeden przewód połączony z drogą powrotną (często określaną jako „masa”), jest zastępowana przez różnicowe połączenia sygnałowe, w których dwa przewody przenoszą sygnały przesunięte w fazie o 180˚. Różnicowa transmisja sygnałów poprawia stosunek sygnału do szumu (SNR) dzięki tłumieniu szumu wspólnego dla dwóch przewodów (szum trybu wspólnego). Po drugie, kodowanie danych przechodzi z trybu jednego bitu na cykl zegara, bez powrotu do zera (NRZ) w tryb kodowania wielu bitów na cykl zegara, na przykład 4-poziomową modulację amplitudy impulsu (PAM4), która obejmuje kodowanie czterech różnych poziomów lub w tryb dwóch bitów na cykl zegara (ilustracja 1).

Ilustracja 1: wykres oczkowy dla danych w trybie bez powrotu do zera (NRZ) (po prawej) z dwoma możliwymi stanami na cykl zegara - 1 lub 0 - oraz dla trybu 4-poziomowej modulacji amplitudy impulsu (PAM4) (po lewej) z czterema możliwymi stanami na cykl zegara: 00, 01, 10 i 11. (Źródło ilustracji: Art Pini)

W trybie 4-poziomowej modulacji amplitudy impulsów (PAM4) w każdym cyklu zegara są umieszczane dwa bity danych, z wykorzystaniem czterech poziomów zakodowanych jako 00, 01, 10 lub 11. Podwaja to szybkość transmisji danych przy ustalonej szybkości zegara, ale zmniejsza stosunek sygnału do szumu (SNR) ze względu na mniejsze różnice amplitudy między stanami danych. Transmisja sygnałów w trybie 4-poziomowej modulacji amplitudy impulsu (PAM4) wymaga zatem wyższego poziomu integralności sygnału.

Charakterystyka parametrów linii przesyłowej

Niezależnie od tego, czy chodzi o obwody drukowane, czy kable, parametry działania linii przesyłowej są zwykle charakteryzowane w dziedzinie częstotliwości za pomocą parametrów rozpraszania (parametry S). Parametry S opisują właściwości urządzenia w oparciu o zachowanie elektryczne obserwowane na wejściach i wyjściach bez znajomości konkretnych komponentów wewnątrz urządzenia. Do opisu urządzeń dwuportowych, takich jak kable, stosuje się kilka współczynników dobroci (FoM), opartych na zmierzonych parametrach s. Najczęściej używane współczynniki dobroci (FoM):

• Tłumienność wtrąceniowa: tłumienie sygnału propagowanego od wejścia do wyjścia kabla, wyrażone w decybelach (dB) (idealna linia przesyłowa ma tłumienność wtrąceniową 0dB)
• Straty odbiciowe: straty (w dB) spowodowane odbiciami sygnałów wynikającymi z niedopasowania impedancji na wyjściu
• Przesłuch: miara (w dB) niepożądanego sprzężenia sygnałów z linią przesyłową spowodowanego przez sąsiednie przewody

Innymi interesującymi współczynnikami dobroci (FoM) są opóźnienie propagacji linii przesyłowej i przekos czasowy. Opóźnienie propagacji to opóźnienie czasowe sygnału propagacji w linii przesyłowej. Przekos czasowy to różnica czasu między sygnałami na dwóch lub więcej liniach przesyłowych.

Opcje linii przesyłowych

Spełnienie wymagań wysokoczęstotliwościowych konfiguracji wielotorowych w nowoczesnych standardach transmisji danych w zakresie współczynnika dobroci (FoM), przy użyciu podejść do projektowania z użyciem tradycyjnego podłoża płytki drukowanej oraz w sposób ekonomiczny, stanowi wyzwanie. Aby rozwiązać ten problem, firma Samtec Inc. opracowała zespoły kablowe wysokich prędkości wykorzystujące zastrzeżone kable mikrokoncentryczne i koncentryczne dwuosiowe Eye Speed, które charakteryzują się niskimi stratami i znakomitą integralnością sygnału. Kable te, gdy stanowią część wielotorowych zespołów kablowych, oferują znakomite parametry działania dzięki unikalnej konstrukcji (ilustracja 2).

Ilustracja 2: szczegółowe spojrzenie na konstrukcję kabli mikrokoncentrycznych Eye Speed (po lewej) i koncentrycznych dwuosiowych Eye Speed (po prawej), charakteryzujących się niskimi stratami i wysoką integralnością sygnału. (Źródło ilustracji: Samtec)

Kable koncentryczne Eye Speed są dostępne z żyłami ze splotem centralnym od 26 do 28AWG (American Wire Gauge). Taka konstrukcja kabla koncentrycznego zapewnia wysoką elastyczność, lekkość i niewielkie rozmiary, co jest szczególnie ważne w przypadku dłuższych odcinków.

Dielektryk jest formowany w postaci litego wytłoczenia ze spienionego powietrzem, fluorowego etylenu-propylenu (FEP) o niskiej stałej dielektrycznej. Zawartość powietrza w wyniku spienienia skutkuje dużą prędkością sygnału. Omawiana grupa kabli oferuje wybór ekranów metalowych spiralnych, taśmowych lub plecionych, zapewniających lepszą integralność sygnału.

W konstrukcji kabla koncentrycznego dwuosiowego Eye Speed zastosowano posrebrzane żyły miedziane o przekroju od 28 do 36AWG. Większe rozmiary przewodów zapewniają niższą tłumienność wtrąceniową, natomiast mniejsze przewody zapewniają większą elastyczność. Współwytłaczanie dielektryka poprawia integralność sygnału i szerokość pasma, umożliwiając osiągnięcie prędkości od 28 do 112Gbps. Kompaktowa konstrukcja zapewnia ścisłe połączenie i mniejsze odstępy pomiędzy żyłami sygnałowymi, co pozwala uzyskać mniejszy raster w zespole kablowym. Tłumienność wtrąceniowa dla kabla koncentrycznego dwuosiowego Eye Speed 0,25m dla danych taktowanych z częstotliwością 14GHz (56Gbps dla trybu 4-poziomowej modulacji amplitudy impulsu) mieści się w zakresie od -1 do -2,2dB, w zależności od średnicy przewodu. Przekos czasowy pomiędzy żyłami w kablu koncentrycznym dwuosiowym jest mniejszy niż 3,5ps na metr. Oba typy kabli obsługują technologię Flyover firmy Samtec.

Czym jest technologia Flyover?

Technologia Flyover firmy Samtec wykorzystuje zespoły kablowe Eye Speed o dużej szerokości pasma i niskich stratach w celu zastąpienia wbudowanych struktur magistrali, znacznie zmniejszając straty (ilustracja 3).

Ilustracja 3: technologia Flyover wykorzystuje kable Eye Speed, zapewniając znacznie niższe straty oraz częstotliwości taktowania 14GHz i 28GHz w porównaniu z niskostratnymi lub ultraniskostratnymi materiałami płyt montażowych. (Źródło ilustracji: Samtec)

Dzięki temu, że technologia Flyover wymaga mniejszej liczby warstw płytek, upraszcza ona układy płytek w konfiguracji dla szybkości przesyłu danych powyżej 28Gbps. Pozwala to również na stosowanie tańszych materiałów na płytki drukowane.

Zespoły kablowe firmy Samtec

Dostępna jest szeroka gama opcji kabli koncentrycznych miniaturowych i koncentrycznych dwuosiowych Eye Speed. Są one dostępne jako układy o wysokiej gęstości i oferują takie funkcje, jak zintegrowane płaszczyzny uziemienia, łączniki obojętnostykowe, elementy odciążające oraz różne opcje połączeń i zatrzasków.

Na przykład smukły, bezpośrednio podłączany zespół kablowy ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 typu wtyczka-wtyczka zawiera 16 par sygnałowych. Ma on długość 6 cali (152,4mm) i obsługuje transmisję sygnałów w trybie 4-poziomowej modulacji amplitudy impulsów (PAM4) z szybkością 64Gbps (ilustracja 4).

Ilustracja 4: podłączany bezpośrednio zespół kablowy ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 zawiera 16 par sygnałowych różnicowych i obsługuje transmisję sygnałów w trybie 4-poziomowej modulacji amplitudy impulsu (PAM4) z szybkością 64Gbps. (Źródło ilustracji: Samtec)

Zespół ten składa się z 16 kabli koncentrycznych dwuosiowych o ultraniskim przekosie, w układzie dwurzędowym o wysokiej gęstości, rozdzielonym na 32 styki z rastrem 0,025 cala (0,635mm). Styki są lutowane bezpośrednio do żył kabla koncentrycznego dwuosiowego, co zapewnia optymalną integralność sygnału. Kable charakteryzują się dyferencjałem 100Ω, zostały wykonane z użyciem przewodu 34AWG i są dostępne w konfiguracjach 8- i 24-parowych. Ich zakres temperatur roboczych wynosi od -40°C do +125 °C.

ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B to zespół kablowy, którego obie strony służą do podłączania do złączy krawędziowych, składający się z dwóch rzędów dwudziestu jednostronnych kabli koncentrycznych 50Ω ze złączem 40-stykowym (ilustracja 5). Długość kabla wynosi 12 cali (305mm).

Ilustracja 5: zespół kablowy ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B wykorzystuje jednostronny kabel koncentryczny z żyłą środkową 34AWG. Rozmieszczenie styków charakteryzuje się rastrem 0,0315” (0,80mm). (Źródło ilustracji: Samtec)

Linie koncentryczne wykorzystują żyły środkowe o przekroju 34AWG, ułożone w formie kabla taśmowego. Raster złącza wynosi 0,0315 cala (0,80mm). Omawiane kable znamionowo obsługują sygnały 14Gbps. W złączach zastosowano mechanizm blokujący ze ściskanym zatrzaskiem, który zapewnia bezpieczne połączenie. Opcjonalnie zespół może zawierać od 10 do 60 kabli w rzędzie z różnymi mechanizmami zatrzaskowymi. Wszystkie one pracują w zakresie temperatur od -25°C do +105°C.

W zespole kablowym HLCD-20-40-00-TR-TR-2 zastosowano dwa rzędy dziesięciu kabli jednostronnych 50Ω o długości 40 cali (1,02m). Posiada on czterdzieści styków o rastrze 0,0197 cala (0,5mm) (ilustracja 6).

Ilustracja 6: w zespole kablowym HLCD-20-40.00-TR-TR-2 wykorzystano samopasujące łączniki obojętnostykowe. (Źródło ilustracji: Samtec)

Łączniki obojętnostykowe posiadają wtyki i gniazda, które można łączyć z wtykami i gniazdami innego złącza tego samego typu. Są one używane w zastosowaniach, w których polaryzacja styku nie jest wymagana, takich jak dwukierunkowe pary przewodów do przesyłu danych.

Zespoły HLCD-20-40.00-TR-TR-2 można stosować w standardowych lub rozszerzonych zakresach temperatur roboczych od -25°C do +105°C lub od -40°C do +125°C.

W zespole kablowym HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B wykorzystano dwa rzędy kabli koncentrycznych dwuosiowych 100Ω, 30AWG. Ma on długość 12 cali (305mm), zawiera 20 kabli, wykorzystuje złącze typu wtyczka-krawędź karty i jest przystosowany do pracy z prędkością 14Gbps (ilustracja 7).

Ilustracja 7: zespół kablowy HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B posiada złącze typu wtyczka-krawędź karty z dwoma rzędami kabli koncentrycznych dwuosiowych 100Ω. (Źródło ilustracji: Samtec)

Ta grupa obejmuje opcje 20, 40 lub 60 kabli oraz różnorodne złącza do montażu powierzchniowego i krawędziowego, a także charakteryzuje się rastrem złączy 0,020 cala (0,5mm).

Podsumowanie

Wyższe szybkości przesyłu danych stale motywują projektantów do poszukiwania innowacyjnych sposobów zapewnienia integralności sygnału. Współpraca z firmą Samtec pozwala im wykraczać poza klasyczne wielotorowe magistrale sygnałowe do płytek drukowanych i korzystać z szerokiej gamy wysokoparametrowych, elastycznych oraz ekonomicznych zespołów kablowych, które spełniają lub przewyższają specyfikacje współczesnych zastosowań komunikacyjnych.