Bruk de riktige kabelmodulene for å sikre signalintegritet i høyhastighets datakommunikasjon

Elektroniske systemarkitekturer trenger høyere datahastigheter med høyere modulasjonsmetoder i mer kompakte formfaktorer. Dette kompliserer kretskortslayouten, ettersom designerne må minimere tapene i overføringslinjene og redusere følsomheten for støy, refleksjoner og overhøring for å opprettholde signalintegriteten og oppfylle kravene til maksimal bitfeilrate (BER). Elektriske eller optiske flersporede signaler mellom IC-er eller kort-til-kort krever også minimert signalskjevhet, spesielt i differensielle signalpar.

En måte å imøtekomme disse behovene på, som gjør det mulig å bruke standard kretskortsubstrater for å unngå høyere kostnader, er å bruke høyhastighets kabelmoduler (ferdigkabler) i stedet for å basere seg utelukkende på kretskortspor. Disse enhetene bruker ensidig jordede- og differensialkonfigurasjoner, avanserte materialer og teknikker som gir utmerket signalintegritet og støtter signalbaner med høy tetthet og flere baner i kobber eller optisk fiber. Noen implementeringer har hastigheter på opptil 64 gigabit per sekund (Gbps).

Denne artikkelen tar for seg hva som driver behovet for høyere hastighet, og hvordan det håndteres. Den introduserer deretter høyhastighets Kabelmoduler fra Samtec og beskriver deres evner og bruk.

Behovet for hastighet

Verden hungrer etter raskere kommunikasjon. Utrustning som 5G- og 6G mobilnettet, kunstig intelligens (AI), kvantedatabehandling og «Big Data» (stordata) driver nye systemarkitekturer og krever høyere båndbredder med raskere overføringshastigheter, samtidig som enheten og systemstørrelsen krymper. Disse nye teknologiene krever sammenkoblinger som kan gi høyest mulig signalintegritet og opprettholde et høyt signal/støy-forhold (SNR) ved støy, overhøring, refleksjoner, elektromagnetisk interferens og andre tap og forstyrrelser.

Høyere hastigheter har gjort det nødvendig med endringer i tilkoblingsteknologien. For det første er ensidig jordet signaloverføring, der data overføres via en enkelt ledning med referanse til en returvei (ofte kalt «jord»), i ferd med å bli erstattet av differensielle signalforbindelser der to ledninger overfører datasignaler 180˚ faseforskjøvet. Differensiell signalering forbedrer SNR ved å undertrykke støy som er felles for de to lederne (common mode-støy). For det andre beveger datakoding seg fra enkeltbit per klokkesyklus, ikke-retur til null (NRZ)-koding til flere biter per klokkesyklus, for eksempel pulsamplitudemodulasjon med fire nivåer (PAM4), som koder fire distinkte nivåer eller to biter per klokkesyklus (Figur 1).

Figur 1: Øyediagrammet for NRZ-data (til høyre) har to mulige tilstander, 1 eller 0, per klokkesyklus; PAM4 (venstre) har fire mulige tilstander, 00, 01, 10 og 11, per taktsyklus (klokkesyklus). (Bildekilde: Art Pini)

PAM4 kjører to databits i hver taktsyklus ved hjelp av fire nivåer kodet som 00, 01, 10 eller 11. Dette dobler datahastigheten for en fast taktrekkefølge, men reduserer SNR på grunn av mindre amplitudevariasjoner mellom datatilstander. PAM4-signalering krever derfor et høyere nivå av signalintegritet.

Karakterisering av overføringslinjens ytelse

Uansett om det er førte kretsløp eller kabler, er overføringslinjeytelse vanligvis karakterisert i frekvensdomenet ved spredningsparametere (s-parametere). S-parametere beskriver en enhets egenskaper basert på den elektriske oppførselen som observeres ved inngangene og utgangene uten å kjenne de spesifikke komponentene i enheten. Flere kvalitetstall (FOM – figure of merit), basert på målte s-parametere, brukes for å beskrive to-ports enheter, som eksempelvis kabler. De mest brukte kvalitetstallene (FOM – figure of merit) er:

• Innføringstap: Dempingen som oppleves av et signal som forplanter seg fra inngangen til utgangen av en kabel, uttrykt i desibel (dB) (en ideell overføringslinje har et innføringstap på 0 dB)
• Returtap: Tapet (i dB) på grunn av signalrefleksjoner som følge av en impedansfeil ved utgangen
• Krysstale: Et mål (i dB) av uønskede signaler koblet inn i overføringslinjen på grunn av tilstøtende ledninger

Andre kvalitetstalls (FOM – figure of merit) interesse er overføringslinjens utbredelsesforsinkelse og tidsskjevhet. Utbredelsesforsinkelse er tidssskjevhet til et signal som forplanter seg gjennom en overføringslinje. Tidsskjevhet er tidsforskjellen mellom signaler på to eller flere overføringslinjer.

Alternativer for overføringslinje

Det er en utfordring å oppfylle kvalitetstallkravene (FoM-kravene) til høyfrekvente flerbanekonfigurasjoner i moderne datakommunikasjonsstandarder på en kostnadseffektiv måte ved hjelp av tradisjonelle metoder for design av kretskortsubstrater. For å løse dette har Samtec Inc. utviklet høyhastighets kabelmoduler (ferdigkabler) ved hjelp av sine proprietære Eye Speed-mikrokoaksial- og twinaxkabler (topinners), som er kjent for deres lave tap og utmerket signalintegritet. Disse kablene, innlemmet i kabelmoduler med flere rader, tilbyr overlegen ytelse på grunn av deres unike konstruksjon (Figur 2).

Figur 2: Du finner vist en detaljert titt på konstruksjonen av Eye Speed-mikrokoaksialkabler (venstre) og twinaxkabler (høyre) som er bemerkelsesverdige for lavt tap og høye signalintegritet. (Bildekilde: Samtec)

Eye Speed-koaksialkabler er tilgjengelige med flerkjernede senterledere på 0,08 til 0,14 mm² (26 til 28 AWG). Denne koaksialkabelkonstruksjonen resulterer i høy fleksibilitet, lav vekt og liten størrelse, noe som er spesielt viktig for lengre kabelstrekk.

Dielektrikumet er dannet som en solid ekstrudering av luftskummet, fluorert etylenpropylen (FEP) med lav dielektrisk konstant. Skumdannelse skaper luftinntrengninger, noe som resulterer i høy signalhastighet. Denne kabelfamilien tilbyr et utvalg av metallomvikling, tape eller flettede skjermer for forbedret signalintegritet.

Eye Speed-twinaxkabelen er konstruert med sølvbelagte kobberledere på 0,013 til 0,08 mm² (28 til 36 AWG). Større ledningsstørrelser gir lavere innføringstap, mens mindre ledninger gir større fleksibilitet. Ko-ekstrudering av dielektrikumet forbedrer signalintegriteten og båndbredden, og muliggjør hastigheter på 28 til 112 Gbps. Den kompakte konstruksjonen gir tett kobling mellom signallederne og mindre avstand, noe som gir mindre lederavstand i kabelenheten. Innføringstapet for 0,25 meter (m) Eye Speed-twinaxial for data klokket til 14 gigahertz (GHz) (56 Gbps PAM4) er i området -1 til -2,2 dB, avhengig av ledningsdiameteren. Tidsskjevheten mellom ledere i twinaxialen er mindre enn 3,5 picosekunder (ps) per meter. Begge typer kabel støtter Samtecs Flyover-teknologi (planfri).

Hva er Flyover-teknologi?

Samtecs Flyover-teknologi bruker den høye båndbredden og det lave tapet av Eye Speed-kabelenheter for å erstatte busstrukturer på kortet, noe som reduserer tapene betydelig (Figur 3).

Figur 3: Flyover-teknologi bruker Eye Speed-kabler for å tilby betydelig reduserte tap og 14 GHz og 28 GHz klokkefrekvenser sammenlignet med bakplanmaterialer med lavt tap eller ultralavt tap. (Bildekilde: Samtec)

Ved å kreve færre kortlag, forenkler kretskortlayouten for Flyover-teknologi for datahastigheter over 28 Gbps. Det tillater også bruk av rimeligere kretskortmaterialer.

Samtec-kabelsammenstillinger

Det finnes et bredt utvalg av alternativer med Eye Speed-mikrokoaksial- og twinaxkabelmoduler (topinners ferdigkabler). De er tilgjengelige som matriser med høy tetthet og tilbyr funksjoner som integrerte jordplaner, hermafroditiske koblinger, strekkavlastning og ulike tilkoblings- og låsealternativer.

For eksempel ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 er en slank, plugg-til-plugg-, kabelenhet med direkte-feste og 16 signalpar som er 6 tommer (152,4 mm) lang og støtter 64 Gbps PAM4-signalering (figur 4).

Figur 4: ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 er en direktekoblet kabelenhet med 16 differensialsignalpar som støtter 64 Gbps PAM4-signalering. (Bildekilde: Samtec)

Denne enheten består av 16 twinaxkabler med ultralav skjevhet i en to-raders konstruksjon med høy tetthet, fordelt på 32 kontakter med en pinneavstand på 0,635 mm (0,025 tommer). Kontaktene er direkte loddet til twinaxkabellederne for optimal signalintegritet. Kablene består av 0,0201 mm² tråd (34 AWG), er dobbeltbalanserte med 100 Ω og er tilgjengelige i 8 eller 24 pars konfigurasjoner. De har et driftstemperaturområde på -40 °C til +125 °C.

ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B er en kort-kant-til-kort-kant-kabelsammenstilling som består av to rader med 21 ensidig jordede, 50 Ω koaksialkabler med en 40-kontaktpinners kontakt (Figur 5). Kabellengden er 305 mm (12 tommer).

Figur 5: ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B-kabelmodulen bruker ensidig jordet koaksialkabel med en 0,0201 mm²-senterleder (34 AWG). Kontaktpinnene har en innbyrdes avstand på 0,80 mm (0,0315 tommer). (Bildekilde: Samtec)

Koaksiallinjene bruker 0,0201 mm²-senterledere (34 AWG) arrangert som en båndkabel. Kontaktpinnenes avstand er 0,80 mm (0,0315 tommer). Disse kablene er vurdert til å håndtere 14 Gbps-signaler. Kontaktene bruker en klemmelåsemekanisme for å sikre positiv sammenkobling. Som tilleggsutstyr kan enheten leveres med 10 til 60 kabler per rad med en rekke ulike låsemekanismer. Alle fungerer over et temperaturområde på -25 °C til +105 °C.

Kabelmodulen HLCD-20-40-00-TR-TR-2 bruker to rader med ti, 50 Ω, ensidige jordede kabler med en lengde på 1,02 m (40 tommer). Den har førti kontaktpinner med en avstand på 0,0197 tommer (0,5 mm) (Figur 6).

Figur 6: Kabelmodulen HLCD-20-40.00-TR-TR-2 bruker selvjusterende hermafroditiske kontakter. (Bildekilde: Samtec)

Hermafroditiske kontakter har pinner og stikkontakter som kan kobles sammen med samme kobling. De brukes i utrustninger der kontaktpolarisering ikke er nødvendig, for eksempel toveis datapar.

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 tilbyr et utvalg av standard eller utvidede driftstemperaturområder på henholdsvis -25 °C til +105 °C eller -40 °C til +125 °C.

Kabelmodulen HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B bruker to rader med 0,05 mm² (30 AWG) twinax-kabler på 100 Ω. Den måler 12 tommer (305 mm) i lengde, har 20 kabler, bruker en kontakt til kortkontakt og er klassifiisert for drift med 14 Gbps (Figur 7).

Figur 7: HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B-enheten har en kontakt til kortkontakt med to rader med 100 Ω-twinaxkabel. (Bildekilde: Samtec)

Denne familien tilbyr alternativer med 20, 40 eller 60 kabler og en rekke overflate- og kantmonterte kontakter, og kontaktpinnene har en avstand på 0,5 mm (0,020 tommer).

Konklusjon

Høyere datahastigheter fortsetter å presse designere til å søke innovative måter å sikre signalintegritet på. Å jobbe med Samtec lar dem heve seg over begrensningene til klassiske flerfelts kretskortsignalbusser, og dra nytte av et bredt spekter av høyytelses, fleksible og kostnadseffektive kabelmoduler som oppfyller eller overgår spesifikasjonene til dagens kommunikasjonsutrustninger.