Gebruik de juiste kabelassemblages om signaalintegriteit te garanderen in datacommunicatie met hoge snelheid

Elektronische systeemarchitecturen hebben snellere gegevenssnelheden nodig met modulatieschema's van een hoger niveau in compactere vormfactoren. Dit bemoeilijkt de layout van printplaten omdat ontwerpers de verliezen in transmissielijnen moeten minimaliseren en de gevoeligheid voor ruis, reflecties en overspraak moeten verminderen om de signaalintegriteit te behouden en te voldoen aan de maximale BER-vereisten (bit error rate). Ook elektrische of optische signalen met meerdere banen tussen IC's of bord-naar-bord vereisen een minimale signaalvertraging, vooral bij differentiële signaalparen.

Een manier om aan deze behoeften te voldoen, die het gebruik van standaardbordsubstraten mogelijk maakt om hogere kosten te vermijden, is het gebruik van kabelassemblages met hoge snelheid in plaats van uitsluitend te vertrouwen op printplaatsporen. Deze assemblages maken gebruik van single-ended en differentiële configuraties, geavanceerde materialen en technieken die een uitstekende signaalintegriteit bieden en die signaalpaden met hoge dichtheid en meerdere banen in koper of glasvezel ondersteunen. Sommige implementaties hebben werksnelheden tot 64 gigabits per seconde (Gbps).

Dit artikel bespreekt wat de behoefte aan hogere snelheid veroorzaakt en hoe dit wordt aangepakt. Vervolgens worden de snelle kabelassemblages van Samtec geïntroduceerd en worden hun mogelijkheden en gebruik beschreven.

De behoefte aan snelheid

De wereld is hongerig naar snellere communicatie. Toepassingen zoals 5G en 6G cellulair, kunstmatige intelligentie (AI), kwantumcomputing en 'Big Data' stimuleren nieuwe systeemarchitecturen en vragen om hogere bandbreedtes bij hogere transmissiesnelheden, terwijl apparaten en systemen kleiner worden. Deze zich ontwikkelende technologieën vereisen interconnecties die de hoogste signaalintegriteit kunnen bieden en hoge signaal-ruisverhoudingen (SNR's) kunnen handhaven in aanwezigheid van ruis, overspraak, reflecties, elektromagnetische interferentie en andere verliezen en storingsbronnen.

Hogere snelheden hebben veranderingen in de verbindingstechnologie noodzakelijk gemaakt. Ten eerste wordt signaaltransmissie met één uiteinde, waarbij gegevens worden getransporteerd door een enkele draad met verwijzing naar een retourpad (vaak 'aarde' genoemd), vervangen door differentiële signaalverbindingen waarbij twee draden gegevenssignalen 180˚ uit fase transporteren. Differentiële signalering verbetert de SNR door gemeenschappelijke ruis op de twee geleiders (common mode noise) te onderdrukken. Ten tweede verschuift de gegevenscodering van een enkele bit per klokcyclus, NRZ-codering (non-return to zero) naar meerdere bits per klokcyclus, zoals PAM4 (pulse amplitude modulation 4 level), waarbij vier verschillende niveaus of twee bits per klokcyclus worden gecodeerd (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het oogdiagram voor NRZ-gegevens (rechts) heeft twee mogelijke toestanden, 1 of 0, per klokcyclus; PAM4 (links) heeft vier mogelijke toestanden, 00, 01, 10 en 11, per klokcyclus. (Bron afbeelding: Art Pini)

PAM4 verpakt twee databits in elke klokcyclus met behulp van vier niveaus die gecodeerd zijn als 00, 01, 10 of 11. Dit verdubbelt de gegevenssnelheid voor een vaste kloksnelheid, maar verlaagt de SNR door de kleinere amplitudevariaties tussen gegevenstoestanden. PAM4-signalering vereist daarom een hoger niveau van signaalintegriteit.

Karakterisering van transmissielijnprestaties

Of het nu gaat om gedrukte schakelingen of kabels, de prestaties van transmissielijnen worden meestal gekarakteriseerd in het frequentiedomein door verstrooiingsparameters (s-parameters). S-parameters beschrijven de eigenschappen van een apparaat op basis van het elektrische gedrag dat wordt waargenomen aan de in- en uitgangen zonder de specifieke componenten in het apparaat te kennen. Verschillende meritefiguren (FoM's), gebaseerd op gemeten s-parameters, worden gebruikt om tweepoortsapparaten zoals kabels te beschrijven. De meest gebruikte FoM's zijn:

• Toevoegingsverlies: De verzwakking die een signaal ondervindt als het van de ingang naar de uitgang van een kabel gaat, uitgedrukt in decibel (dB) (een ideale transmissielijn heeft een invoegverlies van 0 dB).
• Rendementsverlies: Het verlies (in dB) door signaalreflecties als gevolg van een impedantie mismatch aan de uitgang.
• Overspraak: Een maat (in dB) voor ongewenste signalen die in de transmissielijn worden gekoppeld door aangrenzende bedrading.

Andere interessante FoM's zijn de voortplantingsvertraging en de tijdscheefstelling van de transmissielijn. Propagatievertraging is de tijdsvertraging van een signaal dat zich voortplant door een transmissielijn. Time skew is het tijdsverschil tussen signalen op twee of meer transmissielijnen.

Opties voor transmissielijnen

Het is een uitdaging om op een kosteneffectieve manier te voldoen aan de FoM vereisten van hoogfrequente, multi-lane configuraties van moderne datacommunicatie standaarden door gebruik te maken van traditionele PC-bordsubstraat ontwerpbenaderingen. Om hier iets aan te doen heeft Samtec Inc. hogesnelheidskabels ontwikkeld die gebruik maken van de Eye Speed micro coax en twinax kabels, die bekend staan om hun lage verlies en uitstekende signaalintegriteit. Deze kabels, verwerkt in meervoudige kabelassemblages, bieden superieure prestaties dankzij hun unieke constructie (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Hier ziet u een gedetailleerd overzicht van de constructie van Eye Speed micro coax (links) en twinax (rechts) kabels die bekend staan om hun lage verlies en hoge signaalintegriteit. (Bron afbeelding: Samtec)

Eye Speed coaxiale kabels zijn verkrijgbaar met gecentreerde 26 tot 28 American wire gauge (AWG) geleiders. Deze coaxiale kabelconstructie zorgt voor een hoge flexibiliteit, een licht gewicht en een klein formaat, wat vooral belangrijk is voor langere runs.

Het diëlektricum wordt gevormd als een vaste extrusie van gefluoreerd ethyleenpropyleen (FEP) met een lage diëlektrische constante en luchtschuim. Schuim creëert luchtinsluiting, wat resulteert in een hoge signaalsnelheid. Deze kabelfamilie biedt de keuze uit metalen serveren, tape of gevlochten schilden voor een betere signaalintegriteit.

De Eye Speed twinax kabelconstructie maakt gebruik van 28 tot 36 AWG verzilverde koperen geleiders. Grotere draden zorgen voor lagere insertieverliezen, terwijl kleinere draden meer flexibiliteit bieden. Het co-extruderen van het diëlektricum verbetert de signaalintegriteit en bandbreedte, waardoor snelheden van 28 tot 112 Gbps mogelijk zijn. Het compacte ontwerp resulteert in een nauwe koppeling tussen de signaalgeleiders en een kleinere tussenruimte voor een kleinere steek binnen de kabel. Het insertieverlies voor 0,25 meter (m) Eye Speed twinax voor gegevens geklokt op 14 gigahertz (GHz) (56 Gbps PAM4) ligt in het bereik van -1 tot -2,2 dB, afhankelijk van de draaddiameter. De timing skew tussen geleiders in de twinaxkabel is minder dan 3,5 picoseconden (ps) per meter. Beide kabeltypen ondersteunen de Flyover-technologie van Samtec.

Wat is Flyover-technologie?

De Flyover-technologie van Samtec maakt gebruik van de hoge bandbreedte en het lage verlies van Eye Speed-kabels om de busstructuren aan boord te vervangen, waardoor de verliezen aanzienlijk worden verminderd (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Flyover-technologie maakt gebruik van Eye Speed-kabels om aanzienlijk lagere verliezen en 14 GHz en 28 GHz kloksnelheden te bieden in vergelijking met backplane-materialen met laag verlies of ultralaag verlies. (Bron afbeelding: Samtec)

Door minder bordlagen nodig te hebben, vereenvoudigt de Flyover-technologie de lay-out van printplaten voor gegevenssnelheden boven 28 Gbps. Het maakt ook het gebruik van minder dure bordmaterialen mogelijk.

Samtec kabelassemblages

Er is een breed scala aan Eye Speed micro coax en twinax kabel assemblage opties. Ze zijn verkrijgbaar als arrays met hoge dichtheid en bieden functies zoals integrale grondvlakken, hermafrodiete connectors, trekontlasting en verschillende aansluit- en vergrendelingsopties.

De ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 is bijvoorbeeld een slanke, direct aan te sluiten kabel met 16 signaalparen van 6 inch. (152,4 millimeter (mm)) lang en ondersteunt 64 Gbps PAM4-signalering (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 is een direct aan te sluiten kabel met 16 differentiële signaalparen die 64 Gbps PAM4 signalering ondersteunt. (Bron afbeelding: Samtec)

Deze assemblage bestaat uit 16 ultra-low-skew twinaxkabels in een ontwerp met hoge dichtheid en twee rijen, onderverdeeld in 32 contacten met een pitch van 0,025 inch (0,635 mm). De contacten zijn direct aan de twinax geleiders gesoldeerd voor optimale signaalintegriteit. De kabels zijn 100 ohm (Ω) differentieel met 34 AWG draad en zijn verkrijgbaar in 8 en 24-paar configuraties. Ze hebben een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot 125 °C.

De ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B is een bordrand-tot-bordkabelassemblage bestaande uit twee rijen van twintig, single-ended, 50 Ω coaxiale kabels met een 40-contact connector (Afbeelding 5). De kabellengte is 305 mm.

Afbeelding 5: De ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B-kabelassemblage gebruikt coaxiale kabel met een enkele geleider en een middengeleider van 34 AWG. De contacten hebben een tussenafstand van 0,80 mm. (Bron afbeelding: Samtec)

De coaxiale lijnen gebruiken middengeleiders van 34 AWG die als een lintkabel zijn gerangschikt. De pitch van de connector is 0,0315 in. (0,80 mm). Deze kabels zijn geschikt voor signalen van 14 Gbps. De connectors maken gebruik van een knijpvergrendelingsmechanisme om een positieve koppeling te garanderen. Optioneel is de assemblage verkrijgbaar met 10 tot 60 kabels per rij met verschillende vergrendelingsmechanismen. Ze werken allemaal in een temperatuurbereik van -25 °C tot 105 °C.

De HLCD-20-40-00-TR-TR-2-kabelassemblage gebruikt twee rijen van tien, 50 Ω, single-ended kabels met een lengte van 40 in. (1,02 m). Het biedt veertig contacten met een contactafstand van 0,0197 inch (0,5 mm) (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De HLCD-20-40.00-TR-TR-2-kabelassemblage maakt gebruik van zelfmatterende hermafrodiete connectors. (Bron afbeelding: Samtec)

Hermafrodiete connectors hebben pinnen en bussen die aan elkaar gekoppeld kunnen worden met dezelfde connector. Ze worden gebruikt in toepassingen waar contactpolarisatie niet nodig is, zoals bij bidirectionele gegevensparen.

De HLCD-20-40.00-TR-TR-2 biedt de keuze uit een standaard of uitgebreid bedrijfstemperatuurbereik van respectievelijk -25 °C tot 105 °C of -40 °C tot 125 °C.

De HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B-kabelassemblage gebruikt dubbele rijen van 100 Ω, 30 AWG twinax kabels. Het is 305 mm lang, heeft 20 kabels, maakt gebruik van een plug-naar-kaartrandconnector en is berekend op een snelheid van 14 Gbps (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B-assemblage heeft een plug-naar-kaartrandconnector met dubbele rijen 100 Ω twinax kabel. (Bron afbeelding: Samtec)

Deze serie biedt opties van 20, 40 of 60 kabels en een verscheidenheid aan opbouw- en randmontage connectors, en hebben een connector pitch van 0,5 mm (0,020 in.).

Conclusie

Hogere datasnelheden blijven ontwerpers aanzetten tot het zoeken naar innovatieve manieren om signaalintegriteit te garanderen. Door samen te werken met Samtec kunnen ze de beperkingen van de klassieke multi-lane pc-bordsignaleringsbussen overstijgen en hun voordeel doen met een breed scala aan krachtige, flexibele en kosteneffectieve kabelassemblages die voldoen aan de specificaties van de hedendaagse communicatietoepassingen of deze zelfs overtreffen.