Använd rätt kablage för att garantera signalintegritet vid datakommunikation i hög hastighet

Elektroniska systemarkitekturer kräver högre datahastigheter med modulationsscheman på högre nivå i mer kompakta format. Det gör kretskortslayouten mer komplicerad eftersom konstruktörer arbetar för att minimera kretskortsbanornas förluster och minska känsligheten för brus, reflektion och överhörning så signalintegriteten bibehålls och kraven på maximal bitfelsfrekvens uppfylls. Elektriska eller optiska signaler med flera signalvägar mellan kretsarna eller från kort till kort kräver också minimerad signalförskjutning, särskilt i par med differentiella signaler.

Ett sätt att hantera dessa krav och samtidigt möjliggöra användning av standardsubstrat för att undvika högre kostnader, är att använda höghastighetskablar istället för att enbart förlita sig på kretskortsbanor. Enheterna använder obalanserade och differentiella konfigurationer, avancerade material och tekniker som ger utmärkt signalintegritet och stödjer många signalvägar med hög täthet via koppar eller optisk fiber. Vissa implementeringar har överföringshastigheter på upp till 64 Gbit/s.

Artikeln diskuterar vad som driver behovet av högre hastigheter och hur det hanteras. Därefter presenteras kablar för hög hastighet från Samtec och deras egenskaper och användningsområden beskrivs.

Behovet av snabbhet

Världen törstar efter snabbare kommunikationer. Tillämpningar som mobilnät för 5G och 6G, artificiell intelligens (AI), kvantdatorer och "stora data" driver fram nya systemarkitekturer som kräver högre bandbredd med snabbare överföringshastigheter samtidigt som enheternas och systemens storlek krymper. Denna teknikutveckling kräver sammankopplingar som kan ge högsta möjliga signalintegritet och upprätthålla höga signal/brus-förhållanden (SNR) i närvaro av brus, överhörning, speglingar, elektromagnetiska störningar och andra förluster eller störningskällor.

Högre hastigheter har tvingat fram förändringar i anslutningstekniken. Först och främst ersätts obalanserad signalöverföring, där data överförs via en enda ledning som är kopplad till en returledning (ofta kallad "jord"), av differentiella signalanslutningar där två ledningar överför datasignaler med 180˚ fasförskjutning. Differentiell signalering förbättrar SNR genom att dämpa det brus som är gemensamt för de två ledarna (common mode-brus). Sedan ändras datakodning från en bit per klockcykel, NRZ-kodning (non-return to zero) till flera bitar per klockcykel, t.ex. PAM4 (pulse amplitude modulation 4 level), som kodar fyra distinkta nivåer eller två bitar per klockcykel (figur 1).

Figur 1: Ögondiagrammet för NRZ-data (höger) har två möjliga tillstånd, 1 eller 0, per klockcykel; PAM4 (vänster) har fyra möjliga tillstånd, 00, 01, 10 och 11, per klockcykel. (Bildkälla: Art Pini)

PAM4 packar in två bitar data i varje klockcykel med hjälp av fyra nivåer som kodas som 00, 01, 10 eller 11. Detta fördubblar datahastigheten för en fast klockfrekvens men minskar SNR på grund av de lägre amplitudvariationerna mellan datatillstånden. PAM4-signalering kräver därför en högre nivå av signalintegritet.

Karakterisering av överföringsledningens prestanda

Oavsett om det rör sig om banor på ett kretskort eller kablar, karakteriseras överföringsledningarnas prestanda vanligtvis i frekvensdomänen som spridningsparametrar. Spridningsparametrar beskriver en enhets egenskaper baserat på det elektriska beteende som observeras vid in- och utgångar utan att känna till de specifika komponenterna i enheten. För att beskriva enheter med två portar, som t.ex. kablar, används flera godhetstal som baseras på uppmätta spridningsparametrar. De mest använda godhetstalen är:

• Införingsförlust: Signaldämpningen vid spridning från ingång till utgång på en kabel, uttryckt i decibel (dB) (en perfekt överföringsledning har en införingsförlust på 0 dB)
• Returförlust: Förlusten (i dB) på grund av signalreflektioner till följd av felanpassad impedans vid utgången
• Överhörning: Ett mått (i dB) på oönskade signaler som kopplas in i överföringsledningen på grund av intilliggande ledningar

Andra godhetstal av intresse är överföringsledningens fördröjning och tidsförskjutning. Spridningsfördröjning är tidsfördröjningen för en signal som sprids genom en överföringsledning. Tidsförskjutning är tidsskillnaden mellan signaler på två eller flera överföringsledningar.

Alternativ för överföringsledningar

Det är svårt att på ett kostnadseffektivt sätt, uppfylla kraven på godhetstal i konfigurationer med flera banor och höga frekvenser i moderna datakommunikationsstandarder, med hjälp av traditionella metoder för konstruktion av kretskortsubstrat. För att lösa detta har Samtec Inc. utvecklat höghastighetskablar med sina proprietära mikrokoax- och twinax-kablar Eye Speed, som kännetecknas av låga förluster och utmärkt signalintegritet. Kablarna, som ingår i färdiga kablage med flera signalvägar, har överlägsna prestanda tack vare sin unika konstruktion (figur 2).

Bild 2: Här visas en detaljerad bild på konstruktionen av Eye Speed mikrokoax-kablar (vänster) och twinax-kablar (höger) som kännetecknas av låga förluster och hög signalintegritet. (Bildkälla: Samtec)

Eye Speed-koaxialkablar finns med flerkardeliga mittledare på 0,08 till 0,14 mm². Denna koaxialkabelkonstruktion ger hög flexibilitet, låg vikt och liten storlek, vilket är särskilt viktigt vid längre sträckor.

Dielektrikumet bildas som en fast extrudering av luftskummad fluorerad etenpropen (FEP) med låg dielektricitetskonstant. Skumningen skapar inträngning av luft, vilket medför hög signalhastighet. Kabelfamiljen erbjuder av ett urval av metalliska skärmar, tejp eller flätade skärmar för förbättrad signalintegritet.

Twinax-kabeln Eye Speed är konstruerad med silverpläterade kopparledare på 0,013 till 0,08 mm². Större trådstorlek ger lägre inkopplingsförluster, medan mindre trådstorlek ger högre flexibilitet. Samextrudering av dielektrikumet förbättrar signalintegriteten och bandbredden, vilket möjliggör hastigheter på 28 till 112 Gbit/s. Den kompakta konstruktionen resulterar i en tät koppling mellan signalledarna och mindre avstånd för en mindre delning i den färdiga kabeln. Införingsförlusten för 0,25 meter Eye Speed twinax för data som klockas vid 14 GHz (56 Gbit/s PAM4) ligger i intervallet -1 till -2,2 dB, beroende på tråddiameter. Tidsförskjutningen mellan ledarna i twinax-kabeln är mindre än 3,5 ps/m. Båda kabeltyperna stöder tekniken Flyover från Samtec.

Vad är tekniken Flyover?

Tekniken Flyover från Samtec använder Eye Speed-kablarnas höga bandbredd och låga förluster för att ersätta inbyggda busstrukturer, för betydande minskning av förluster (figur 3).

Figur 3: Tekniken Flyover använder Eye Speed-kablar för att ge betydligt lägre förluster och klockfrekvenser på 14 och 28 GHz jämfört med material för bakplan med låg eller mycket låg förlust. (Bildkälla: Samtec)

Tekniken Flyover kräver färre kretskortslager och förenklar kretskortslayouten för datahastigheter över 28 Gbit/s. Den gör det även möjligt att använda billigare mönsterkortsmaterial.

Kablage från Samtec

Det finns ett stort utbud av färdiga kablage med Eye Speed mikrokoax- och twinax-kablar. De finns som högdensitetsmatriser med funktioner som integrerade jordplan, könlösa kontakter, dragavlastning och olika anslutnings- och låsningsalternativ.

ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 är exempelvis ett tunt kablage för direktanslutning från kontakt till kontakt med 16 signalpar som är 152,4 mm långt och har stöd för PAM4-signalering med 64 Gbit/s (figur 4).

Figur 4: ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 är ett kablage för direktanslutning med 16 differentiella signalpar och stöd för PAM4-signalering med 64 Gbit/s. (Bildkälla: Samtec)

Kablaget består av 16 twinax-kablar med extremt låg tidsfördröjning i en konstruktion med två rader och hög täthet, uppdelade i 32 kontakter med en delning på 0,635 mm. Twinax-ledarna är lödda direkt på kontakterna för optimal signalintegritet. Kablarna består av 0,0201 mm² tråd, är dubbelbalanserad med 100 Ω och finns i konfigurationer med 8 eller 24 par. De har ett drifttemperaturområde på -40 °C till +125 °C.

ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B är ett färdigt kablage för kretskort till kretskort och består av två rader med tjugo obalanserade koaxialkablar på 50 Ω med 40 kontaktdon (figur 5). Kabellängden är 305 mm.

Bild 5: Kablaget ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B använder en koaxialkabel med en mittledare på 0,0201 mm². Kontaktdonen har ett inbördes avstånd på 0,8 mm. (Bildkälla: Samtec)

Koaxialkablarna har mittledare på 0,02 mm² organiserade som en bandkabel. Kontaktens delning är 0,8 mm. Kablarna är klassificerade för signaler på 14 Gbit/s. Kontaktdonen har en låsmekanism med klämspärr för att garantera en säker sammankoppling. Som tillval kan den färdiga kabeln levereras med 10 till 60 kablar per rad och en mängd olika spärrmekanismer. Alla arbetar i ett temperaturområde på -25 °C till +105 °C.

Kablaget HLCD-20-40-00-TR-TR-2 använder två rader med tio obalanserade kablar på 50 Ω, med en längd på 1,02 m. Den har fyrtio kontakter med en kontaktdelning på 0,5 mm (figur 6).

Bild 6: Kablaget HLCD-20-40.00-TR-TR-2 använder självjusterande könlösa kontaktdon. (Bildkälla: Samtec)

Könlösa kontaktdon har stift och uttag som kan kopplas ihop med samma kontaktdon. De används i tillämpningar där polarisering av kontakten inte krävs, som t.ex. i dubbelriktade datapar.

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 har ett standardtemperaturområde eller ett utökat temperaturområde på -25 °C till +105 °C respektive -40 °C till +125 °C.

Kablaget HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B använder dubbla rader med 0,05 mm² twinax-kablar på 100 Ω. Det är 305 mm långt, innehåller 20 kablar, använder en kontakt till kortkontakt och är klassificerat för drift vid 14 Gbit/s (figur 7).

Figur 7: Kablaget HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B har en kontakt till kortkontakt med dubbla rader twinax-kabel med 100 Ω. (Bildkälla: Samtec)

Familjen innehåller alternativ för 20, 40 eller 60 kablar och en mängd olika yt- och kantmonterade kontakter, med en kontaktdelning på 0,5 mm.

Sammanfattning

Högre datahastigheter fortsätter att driva konstruktörer till att hitta innovativa sätt att säkerställa signalintegritet. Genom att arbeta med Samtec kan de hantera begränsningarna i klassiska signalbussar för kretskort med flera banor och dra nytta av ett stort utbud av högeffektiva, flexibla och kostnadseffektiva kablage som uppfyller eller överträffar specifikationerna i dagens kommunikationstillämpningar.