Jelintegritás biztosítása megfelelő szerelt kábelekkel nagysebességű adatkommunikációs áramkörökben

Az elektronikus rendszerek architektúrái gyorsabb adatátviteli sebességeket követelnek, magasabb szintű modulációs sémákkal, és mindezt kompaktabb méretekkel. Ez nehezebbé teszi a nyomtatott áramköri lapok (NyÁK-ok) tervezését, mivel a tervezők a jelintegritás fenntartása és a maximális bithibaarányra (BER) vonatkozó követelmények teljesítéséhez az átviteli vonali veszteségek minimalizálására valamint a zajra, a visszaverődésekre és az áthallási hibákra való érzékenység csökkentésére törekszenek. Ezenkívül, az IC-k vagy az áramköri lapok közötti elektromos vagy optikai jelek többsávos továbbításakor csupán minimális jeleltolódás megengedett, különösen differenciális jelpárok esetén.

Egy módszer ezen igények kielégítésére nagysebességű szerelt kábelek használata, ahelyett, hogy a jelek vezetése csak a nyomtatott áramköri lapok vezetősávjain történne, így a magasabb költségek elkerüléséhez a NyÁK-ok gyártása szabványos anyagok felhasználásával is történhet. Ezek a szerelt kábelek egy- és kétvezetékes vezetők felhasználásával, korszerű anyagokból és technológiával készülnek, ami kiváló jelintegritást biztosít, és nagy sűrűségű, többsávos jelútvonalak létrehozását teszi lehetővé réz vagy optikai vezetékek használatával. Egyes konstrukciókkal az akár 64 Gbps sebesség is megvalósítható.

Ezen cikk azzal foglalkozik, hogy mi áll a nagyobb sebesség iránti igény mögött, valamint, hogy jelenleg milyen módszerekkel elégítik ki azt. Ezután bemutat néhány Samtec gyártmányú nagysebességű szerelt kábelt, ismertetve azok képességeit és használati lehetőségeit.

Sebességből sosem elég

A világ szomja olthatatlan a gyorsabb kommunikáció iránt. A különböző technológiáknak, mint például a mobilhálózati 5G és 6G-nek, a mesterséges intelligenciának, a kvantumszámításnak és a „Big Data” elemzési folyamatoknak köszönhetően nagyobb sávszélességet igénylő és gyorsabb átviteli sebességű új rendszerarchitektúrák jöttek létre, miközben az eszközök és a rendszerek méretei zsugorodtak. Ezen fejlődő technológiák olyan összekötőelemeket igényelnek, amelyek a legmagasabb szintű jelintegritást tudják biztosítani, és amelyek zaj, áthallás, visszaverődés, elektromágneses interferencia és egyéb veszteségek és zavarforrások jelenlétében is magas jel-zaj arányt (SNR-t) tudnak fenntartani.

A nagyobb sebességek következtében az összekapcsoló elemek technológiája is szükségszerűen megváltozott. Először is, az egyvezetékes (single-ended) jelátvitelt – ahol az adatok egyetlen vezetéken keresztül továbbítódnak, gyakran a földpotenciált használva viszonyítási pontként – felváltják a differenciális jelátviteli vonalak, ahol két vezetéken keresztül, egymással 180˚-ban eltolt fázisú adatjelek továbbítása történik. Differenciális jelátvitelel jobb SNR érhető el a két vezető közös zajának (közös módusú zaj) elnyomása révén. Másodsorban, az adatkódolás az órajelciklusonkénti egy bites, nullához vissza nem térő (NRZ) kódolásról az órajelciklusonkénti több bites kódolásra vált. Ilyen például a 4 szintű impulzusamplitúdó-moduláció (PAM4), amelynél négy különböző jelszintet vagyis két bitet kódolnak órajelciklusonként (1. ábra).

1. ábra: Az NRZ-adatokra jellemző szemábrán (jobbra) két lehetséges állapot különböztethető meg: 1 vagy 0 órajel-ciklusonként; PAM4 (balra) esetén négy lehetséges állapot van: 00, 01, 10 és 11 órajel-ciklusonként (kép: Art Pini)

PAM4 moduláció esetén minden egyes órajelciklusban két bitnyi információt kódolnak (00, 01, 10 vagy 11) a négy szint használatával. Fix órajel esetén ez kétszer akkorra adatátviteli sebességet tesz lehetővé, viszont csökken az SNR az adatállapotok közötti kisebb amplitúdókülönbségek miatt. A PAM4 jelátvitel ezért magasabb szintű jelintegritást igényel.

Az átviteli vonalak teljesítményét jellemző műszaki paraméterek

Akár nyomtatott áramköri lap vezetősávjairól, akár kábelekről van szó, a frekvenciatartományban az átviteli vonalak jóságát általában a reflexiós paraméterekkel (s-paraméterekkel) jellemzik. Egy adott eszköz s-paraméterei annak tulajdonságait írják le, a bemeneteken és kimeneteken megfigyelt elektromos viselkedése alapján, az eszközben lévő konkrét alkatrészek ismerete nélkül. Kétutas eszközök, például kábelek jellemzésére számos, a mért s-paramétereken alapuló minőségmutató értéket használnak. A leggyakrabban használt ilyen minősítő jellemzők a következők:

• Beiktatási veszteség: az a veszteség decibelben (dB) kifejezve, amelyet a jel a kábel bemeneti és kimeneti pontja közötti terjedés során szenved el (az ideális átviteli vonal beiktatási vesztesége 0 dB).
• Visszaverődési csillapítás: a kimeneti impedancia-eltérésből eredő jelvisszaverődések miatti veszteség (dB-ben).
• Áthallás: az átviteli vonalban a vele szomszédos vezetékek által indukált zaj (interferencia) mérőszáma (dB-ben).

A terjedési késleltetés és az időeltolódás két olyan további minőségmutató érték, melyek ismerete átviteli vonalak esetén hasznos lehet. Terjedési késleltetés esetén az átviteli vonalban terjedő jel időbeli késéséről van szó, az időeltolódás pedig két vagy több átviteli vonal esetén a jelátvitel megvalósulása között eltelt időbeli különbség.

Rendelkezésre álló lehetőségek átviteli vonalak esetén

A nyomtatott áramköri lapok gyártására hagyományosan használt hordozóanyagokkal és konstrukciókkal nagy kihívást jelent megfelelni a nagyfrekvenciás, többsávos konfigurációkra vonatkozólag a modern adatkommunikációs szabványok által megszabott minőségmutató értékeknek. Ezek teljesítésére a Samtec Inc. nagysebességű szerelt kábeleket fejlesztett ki a saját fejlesztésű Eye Speed mikro koaxiális és twinaxiális kábeleinek felhasználásával, amelyek alacsony veszteségükkel és kiváló jelintegritásukkal tűnnek ki. Ezek a kábelek, melyekből együttesen egy többvezetékes szerelt kábel építhető, sajátos felépítésüknek köszönhetően kiváló teljesítményűek (2. ábra).

2. ábra: A képen az alacsony veszteségükkel és magas jelintegritásukkal kiemelkedő Eye Speed mikro koaxiális (balra) és twinaxiális (jobbra) kábelek részletes felépítése látható (kép: Samtec)

Az Eye Speed koaxiális kábelek 26-28 AWG közötti huzalvastagságú, sodrott központi vezetőkkel rendelkeznek. Felépítésüknek köszönhetően hajlékonyak, könnyűek valamint kis méretűek, ami különösen fontos hosszabb távolságok áthidalásakor.

A dielektrikumot alacsony dielektromos állandójú, szilárd extrudált fluorozott etilén-propilén (FEP) habból alakítják ki. A habszivacsos felépítésnek köszönhetően levegőtartalmúak, ami nagy jelsebességet tesz lehetővé. Ennél a kábelcsaládnál fémtekercselés, szalag vagy fonott árnyékolás választható a jobb jelintegritáshoz.

A twinaxiális Eye Speed kábelkonstrukció 28-36 AWG méretű ezüstözött rézvezetőket tartalmaz. Nagyobb méretű vezetékeknél kisebb a beiktatási veszteség, míg a kisebb vezetékek a jobb hajlékonyság szempontjából lehetnek előnyösebbek. A koextrudált dielektrikum javítja a jelintegritást és a sávszélességet, és 28-112 Gbps közötti sebességet tesz lehetővé. A kompakt kialakításnak köszönhetően a jelvezetők szorosan egymás mellé helyezhetők, így kis osztástávolságú szerelt kábelek gyárthatók. Egy 0,25 méter hosszú twinaxiális Eye Speed kábelnél 14 GHz órajelű adatok (56 Gbps PAM4) esetén a beiktatási veszteség a vezeték átmérőjétől függően -1 és -2,2 dB között van. A twinaxiális kábel belső vezetői közötti jelátviteli időeltolódás méterenként 3,5 ps-on aluli. Mindkét kábeltípus kompatibilis a Samtec Flyover technológiájával.

Flyover technológia

A Samtec Flyover technológiája a szerelt Eye Speed kábelek nagy sávszélességét és alacsony veszteségét használja ki az áramköri lapon lévő vezetősávok helyettesítésére, jelentősen csökkentve a veszteségeket (3. ábra).

3. ábra: A Flyover technológia az Eye Speed kábelek használatára épül. Jelentősen kisebb veszteségeket és 14 GHz-es és 28 GHz-es órajeleket kínál az alacsony vagy ultraalacsony veszteségű hátlapi anyagokhoz képest (kép: Samtec)

Mivel a Flyover technológia alkalmazása esetén a nyomatott áramköri lap kevesebb rétegből is felépülhet, így egyszerűbb NyÁK tervek készíthetők 28 Gbps feletti adatátviteli sebességű áramkörökhöz. Ugyanennek köszönhetően kevésbé drága alapanyagok használhatók a nyomtatott áramköri lapok gyártásakor.

Samtec szerelt kábelek

A mikro koaxiális és twinaxiális szerelt Eye Speed kábelek építésekor széles alkatrészválaszték áll rendelkezésre. Nagy sűrűségű rácsos csatlakozókkal és más egyéb tartozékokkal láthatók el, például integrált földelősíkkal, hermafordita csatlakozókkal, törésgátlóval, valamint különböző csatlakoztatási és reteszelési lehetőségekkel.

Az ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 például egy dugó-dugó típusú, dugaszolható, 16 jelpárral rendelkező, 64 Gbps PAM4 jelátvitelt támogató, 15 cm hosszú, lapos szerelt kábel (4. ábra).

4. ábra: Az ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 egy 16 differenciális jelpárral rendelkező, 64 Gbps PAM4 jelátvitelt támogató, dugaszolható szerelt kábel (kép: Samtec)

Ez a szerelt kábel 16 darab ultra-alacsony időeltolódású twinaxiális kábelből épül fel, nagy sűrűségű, kétsoros kivitelben, 32 érintkezőre bontva, 0,635 mm-es osztástávolsággal. Az érintkezők közvetlenül a twinaxiális vezetékekhez vannak forrasztva a legjobb jelintegritáshoz. A kábelek 100 Ω differenciális impedanciájúak, 34 AWG méretű vezetékekből épülnek fel, és 8 és 24 páros konfigurációban kaphatók. Üzemi hőmérséklet-tartományuk -40 °C és +125 °C között van.

Az ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B egy kártyaél-kártyaél csatlakozós szerelt kábel, amely két sorba rendezett, húsz-húsz, 50 Ω-os koaxiális kábelből áll, 40 érintkezős csatlakozóval ellátva (5. ábra). A kábel hossza 305 mm.

5. ábra: Az ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B szerelt kábel 34 AWG vastagságú középső áramvezetős egyvezetékes koaxiális kábelekből áll. Az érintkezők közötti osztástávolság 0,80 mm (kép: Samtec)

A koaxiális kábelek 34 AWG méretű középső vezetőket tartalmaznak, szalagkábelként elrendezve. A csatlakozó érintkezőinek osztástávolsága 0,80 mm. Ezek a kábelek 14 Gbps sebességű jelátvitelre alkalmasak. A csatlakozókon egy oldalsó nyomórugós reteszelő mechanizmus található, mely megbízható kapcsolatot biztosít. Opcionálisan a kábel soronként 10 és 60 vezetőt tartalmazó változatokban kapható, különböző reteszelő mechanizmusokkal. Az üzemi hőmérséklettartomány mindegyikük esetében -25 °C és +105 °C között van.

A HLCD-20-40-00-TR-TR-2 szerelt kábel két sor tíz darab 50 Ω-os, egyvezetős vezetéket tartalmaz, és 1,02 m hosszúságú. Negyven érintkezővel rendelkezik, 0,5 mm-es osztástávolsággal (6. ábra).

6. ábra: A HLCD-20-40.00-TR-TR-2 szerelt kábelek önmagukkal párosítható hermafrodita csatlakozókkal rendelkeznek (kép: Samtec)

Az érintkezőtűk és aljzatok kialakításánál fogva a hermafrodita csatlakozók olyanok, hogy önmagukkal is párosíthatók. Olyan esetekben használják őket, ahol csatlakoztatáskor a polarizációnak nincsen jelentősége, például kétirányú adatpárok esetén.

A HLCD-20-40.00-TR-TR-2 kábeleknél standard vagy kiterjesztett üzemi hőmérséklet-tartomány választható -25 °C és +105 °C közötti, illetve -40 °C és +125 °C közötti értékekkel.

A HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B szerelt kábel két sor 100 Ω-os, 30 AWG méretű twinaxiális kábelekből épül fel. 305 mm hosszú, 20 vezetőből áll, dugó-kártyaél csatlakozókkal rendelkezik és 14 Gbps sebességű működésre tervezték (7. ábra).

7. ábra: A HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B szerelt kábel dugó-kártyaél csatlakozós típusú, két sor 100 Ω-os twinaxiális kábellel (kép: Samtec)

Ez a család 20, 40 vagy 60 vezetős változatot, valamint különböző felületszerelt és kártyaélre szerelhető csatlakozós típust kínál, 0,5 mm-es osztástávolsággal.

Összegzés

A nagyobb adatátviteli sebességek miatt a tervezőknek innovatív módszereket kell keresniük a jelintegritás biztosítására. A Samtec-kel együttműködve túlléphetnek a klasszikus többsávos nyomtatott áramköri jelátviteli buszok korlátain, és olyan nagy teljesítményű, hajlékony és költséghatékony szerelt kábelek széles választékából válogathatnak, amelyek megfelelnek a mai kommunikációs rendszerek előírásainak, illetve túl is teljesítik azokat.