Utilizați ansamblurile de cabluri potrivite pentru a asigura integritatea semnalului în comunicațiile de date de mare viteză

Arhitecturile sistemelor electronice au nevoie de viteze de date mai mari, cu scheme de modulare de nivel superior, în factori de formă mai compacți. Acest lucru complică configurarea plăcii de circuite imprimate (PCB), deoarece proiectanții trebuie să depună efort pentru a minimiza pierderile din liniile de transmisie și a reduce susceptibilitatea la zgomot, reflexii și diafonie pentru a menține integritatea semnalului și a îndeplini cerințele privind rata maximă de eroare pe bit (BER). De asemenea, semnalele electrice sau optice cu mai multe benzi între circuite integrate sau de la o placă la alta necesită o deviație minimă a semnalului, în special în cazul perechilor de semnale diferențiale.

O modalitate de a răspunde acestor nevoi, care permite utilizarea substraturilor de plăci standard pentru a evita costurile mai mari, este utilizarea ansamblurilor de cabluri de mare viteză în locul utilizării exclusive a plăcilor de circuite imprimate. Aceste ansambluri utilizează configurații cu un singur capăt și diferențiale, materiale și tehnici avansate care asigură o integritate excelentă a semnalului și acceptă trasee de semnal de înaltă densitate, cu mai multe benzi, în cupru sau fibră optică. Unele implementări oferă rate de operare de până la 64 de gigabiți pe secundă (Gbps).

Acest articol analizează motivele care determină necesitatea unei viteze mai mari și modul în care este abordată această problemă. Apoi, prezintă ansamblurile de cabluri de mare viteză de la Samtec și descrie capacitățile și utilizarea acestora.

Nevoia de viteză

Lumea este avidă de comunicații mai rapide. Aplicații precum telefonia celulară 5G și 6G, inteligența artificială (AI), calculul cuantic și „Big Data” determină noi arhitecturi de sistem și solicită lățimi de bandă mai mari la viteze de transmisie mai mari, reducând în același timp dimensiunea dispozitivelor și a sistemului. Aceste tehnologii în curs de dezvoltare necesită interconexiuni care pot asigura cea mai bună integritate a semnalului și care pot menține un raport semnal-zgomot (SNR) ridicat în prezența zgomotului, a diafoniei, a reflexiilor, a interferențelor electromagnetice și a altor pierderi și surse de interferență.

Vitezele mai mari au necesitat implementarea schimbărilor în tehnologia de conectare. În primul rând, transmisia de semnal cu un singur capăt, în care datele sunt transportate de un singur fir legat la o cale de întoarcere (deseori denumită „masă”), este înlocuită de conexiuni de semnal diferențiale, în care două fire transportă semnale de date defazate cu 180˚. Semnalizarea diferențială îmbunătățește SNR prin suprimarea zgomotului comun celor două conductoare (zgomot de mod comun). În al doilea rând, codificarea datelor trece de la codificarea cu un singur bit per ciclul de ceas, fără revenire la zero (NRZ), la codificarea cu mai mulți biți per ciclul de ceas, cum ar fi modularea amplitudinii pulsului pe 4 niveluri (PAM4), care codifică patru niveluri distincte sau doi biți per ciclul de ceas (Figura 1).

Figura 1: Diagrama tip ochi pentru datele NRZ (dreapta) are două stări posibile, 1 sau 0, per ciclu de ceas; PAM4 (stânga) are patru stări posibile, 00, 01, 10 și 11, per ciclu de ceas. (Sursa imaginii: Art Pini)

PAM4 include doi biți de date în fiecare ciclu de ceas folosind patru niveluri codificate ca 00, 01, 10 sau 11. Acest lucru dublează rata de date pentru o rată fixă a ceasului, dar scade SNR din cauza variațiilor mai mici de amplitudine între stările datelor. Prin urmare, semnalizarea PAM4 necesită un nivel mai ridicat de integritate a semnalului.

Caracterizarea performanțelor liniilor de transmisie

Fie că este vorba de circuite imprimate sau de cabluri, performanța liniilor de transmisie este de obicei caracterizată în domeniul frecvenței prin parametrii de împrăștiere (parametrii s). Parametrii s descriu proprietățile unui dispozitiv pe baza comportamentului electric observat la intrări și ieșiri, fără a cunoaște componentele specifice din interiorul dispozitivului. Mai mulți factori de merit (FoM), bazați pe parametrii s măsurați, sunt utilizați pentru a descrie dispozitive cu două porturi, cum ar fi cablurile. Cele mai utilizate FoM-uri sunt:

• Pierderea la inserție: atenuarea suferită de un semnal care se propagă de la intrarea la ieșirea unui cablu, exprimată în decibeli (dB) (o linie de transmisie ideală are o pierdere la inserție de 0 dB)
• Pierderea la retur: pierderea (în dB) datorată reflexiilor de semnal care rezultă dintr-o nepotrivire de impedanță la ieșire
• Diafonie: o măsură (în dB) a semnalelor nedorite cuplate în linia de transmisie din cauza cablurilor adiacente

Alte FoM-uri de interes sunt întârzierea de propagare a liniei de transmisie și decalajul de timp. Întârzierea de propagare este întârzierea în timp a unui semnal care se propagă printr-o linie de transmisie. Decalajul de timp este diferența de timp dintre semnalele de pe două sau mai multe linii de transmisie.

Opțiuni pentru liniile de transmisie

Îndeplinirea rentabilă a cerințelor FoM ale configurațiilor de înaltă frecvență și cu mai multe benzi ale standardelor moderne de comunicații de date este dificilă cu abordările tradiționale de proiectare a substraturilor pentru plăci PC. Pentru a rezolva această problemă, Samtec Inc. a dezvoltat ansambluri de cabluri de mare viteză folosind cablurile sale brevetate microciaxiale și twinax Eye Speed, care se remarcă prin pierderi reduse și integritate excelentă a semnalului. Aceste cabluri, încorporate în ansambluri de cabluri cu mai multe benzi, oferă performanțe superioare datorită construcției lor unice (Figura 2).

Figura 2: În imagine se prezintă în detaliu construcția cablurilor Eye Speed microcoaxiale (stânga) și twinax (dreapta), care se remarcă prin pierderi reduse și integritatea ridicată a semnalului. (Sursa imaginii: Samtec)

Cablurile coaxiale Eye Speed sunt disponibile cu conductori de la 26 până la 28 American Wire Gauge (AWG). Această construcție a cablului coaxial asigură flexibilitate ridicată, greutate redusă și dimensiuni mici, toate acestea fiind deosebit de importante pentru traseele mai lungi.

Dielectricul este format ca o extrudare solidă de etilenă propilenă fluorurată (FEP) cu constantă dielectrică scăzută, spumată cu aer. Spumarea creează spații cu aer, ceea ce duce la o viteză crescută a semnalului. Această familie de cabluri oferă posibilitatea de a alege între scuturi metalice, cu bandă sau împletite pentru o mai bună integritate a semnalului.

Construcția cablului twinax Eye Speed folosește conductori de cupru placat cu argint de la 28 până la 36 AWG. Dimensiunile mai mari ale firelor asigură pierderi mai mici la inserție, în timp ce firele mai mici oferă flexibilitate crescută. Coextrudarea dielectricului îmbunătățește integritatea semnalului și lățimea de bandă, permițând rate de la 28 până la 112 Gbps. Designul compact rezultă într-o cuplare strânsă între conductorii de semnal și o distanță mai mică pentru un pas mai mic în cadrul ansamblului de cabluri. Pierderea la inserție pentru 0,25 metri (m) de cablu twinax Eye Speed pentru date sincronizate la 14 gigahertzi (GHz) (56 Gbps PAM4) este cuprinsă între -1 și -2,2 dB, în funcție de diametrul firului. Deviația de sincronizare între conductorii cablului twinax este mai mică de 3,5 picosecunde (ps) pe metru. Ambele tipuri de cablu sunt compatibile cu tehnologia Flyover de la Samtec.

Ce este tehnologia Flyover?

Tehnologia Flyover de la Samtec utilizează lățimea de bandă mare și pierderile reduse ale ansamblurilor de cabluri Eye Speed pentru a înlocui structurile de magistrală de la bord, reducând în mod considerabil pierderile (Figura 3).

Figura 3: Tehnologia Flyover utilizează cabluri Eye Speed pentru a oferi pierderi mult mai mici și viteze de ceas de 14 GHz și 28 GHz în comparație cu materialele cu pierderi reduse sau foarte reduse pentru backplane. (Sursa imaginii: Samtec)

Prin faptul că necesită mai puține straturi de placă, tehnologia Flyover simplifică configurarea plăcilor pentru viteze de date de peste 28 Gbps. De asemenea, permite utilizarea unor materiale mai puțin costisitoare pentru plăcile de circuite imprimate.

Ansambluri de cabluri Samtec

Există o gamă largă de opțiuni de asamblare a cablurilor Eye Speed microcoaxiale și twinax. Acestea sunt disponibile sub formă de rețele de înaltă densitate și oferă caracteristici precum planuri de masă integrate, conectoare hermafrodite, protecție împotriva solicitării și diverse opțiuni de conectare și fixare.

De exemplu, ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 este un ansamblu de cabluri subțire, de tip fișă-la-fișă, cu 16 perechi de semnal, cu o lungime de 152,4 milimetri (mm) (6 inch (in.)) și care acceptă semnalizare PAM4 de 64 Gbps (Figura 4).

Figura 4: ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 este un ansamblu de cabluri cu atașare directă cu 16 perechi de semnal diferențiale care acceptă semnalizarea PAM4 de 64 Gbps. (Sursa imaginii: Samtec)

Acest ansamblu este format din 16 cabluri twinax cu decalaj foarte redus, de densitate ridicată, în două rânduri, împărțite în 32 de contacte cu un pas de 0,025 in. (0,635 mm). Contactele sunt lipite direct pe conductorii twinax pentru o integritate optimă a semnalului. Cablurile au o impedanță diferențială de 100 ohmi (Ω), folosind un fir de 34 AWG și sunt disponibile în configurații de 8 și 24 de perechi. Acestea au un interval al temperaturii de funcționare de la -40 °C la +125 °C.

ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B este un ansamblu de cabluri de la marginea plăcii la marginea plăcii, care cuprinde două rânduri de douăzeci de cabluri coaxiale de 50 Ω cu un singur cappt și cu un conector cu 40 de contacte (Figura 5). Lungimea cablului este de 305 mm (12 in.).

Figura 5: Ansamblul de cabluri ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B utilizează un cablu coaxial cu un singur capăt cu un conductor central de 34 AWG. Contactele sunt distanțate la un pas de 0,80 mm (0,0315 in.). (Sursa imaginii: Samtec)

Liniile coaxiale utilizează conductori centrali de 34 AWG, aranjați ca un cablu tip panglică. Pasul conectorului este de 0,80 mm (0,0315 in.). Aceste cabluri au capacitatea de a gestiona semnale de 14 Gbps. Conectoarele utilizează un mecanism de blocare cu fixare prin strângere pentru a asigura o cuplare pozitivă. Opțional, ansamblul este disponibil cu 10 până la 60 de cabluri pe fiecare rând, cu o varietate de mecanisme de blocare. Toate funcționează într-un interval de temperatură cuprins între -25 °C și +105 °C.

Ansamblul de cabluri HLCD-20-40-00-TR-TR-2 utilizează două rânduri de zece cabluri de 50 Ω, cu un singur capăt și lungi de 1,02 m (40 in.). Acesta oferă patruzeci de contacte cu un pas de contact de 0,5 mm (0,0197 in.) (Figura 6).

Figura 6: Ansamblul de cabluri HLCD-20-40.00-TR-TR-2 utilizează conectoare hermafrodite cu auto-cuplare. (Sursa imaginii: Samtec)

Conectoarele hermafrodite au pini și socluri care pot fi cuplate împreună cu același conector. Acestea sunt utilizate în aplicații în care nu este necesară polarizarea de contact, cum ar fi perechile de date bidirecționale.

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 oferă posibilitatea de a alege între intervale de temperaturi de funcționare standard sau extinse, de la -25 °C la +105 °C sau, respectiv, de la -40 °C la +125 °C.

Ansamblul de cabluri HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B utilizează două rânduri de cabluri twinax de 100 Ω, 30 AWG. Acesta măsoară 305 mm (12 in.) în lungime, are 20 de cabluri, folosește un conector de tip fișă-la-marginea plăcii și este evaluat pentru funcționare la 14 Gbps (Figura 7).

Figura 7: Ansamblul HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B are un conector de tip fișă-la-marginea plăcii cu două rânduri de cablu twinax de 100 Ω. (Sursa imaginii: Samtec)

Această familie oferă opțiuni de 20, 40 sau 60 de cabluri și o varietate de conectoare cu montare pe suprafață și pe margine și au un pas de conectare de 0,5 mm (0,020 in.).

Concluzie

Vitezele mai mari pentru transferul datelor continuă să forțeze proiectanții să caute modalități inovatoare de a asigura integritatea semnalului. Colaborarea cu Samtec le permite să depășească constrângerile magistralelor de semnal clasice cu mai multe benzi de pe plăcile de circuite imprimate și să profite de o gamă largă de ansambluri de cabluri de înaltă performanță, flexibile și rentabile, care îndeplinesc sau depășesc specificațiile aplicațiilor de comunicare actuale.