Utilizzate i giusti cavi assemblati per garantire l'integrità del segnale nelle comunicazioni dati ad alta velocità

Le architetture dei sistemi elettronici richiedono velocità di trasmissione dati più elevate con schemi di modulazione di livello superiore in fattori di forma più compatti. Tutto ciò complica il layout delle schede a circuiti stampati (schede CS), in quanto i progettisti devono ridurre al minimo le perdite delle linee di trasmissione e la suscettibilità al rumore, alle riflessioni e alla diafonia per mantenere l'integrità del segnale e soddisfare i requisiti relativi al massimo tasso di errori di bit (BER). Inoltre, i segnali elettrici o ottici su più canali tra CI o da scheda a scheda richiedono una riduzione al minimo del disallineamento del segnale, soprattutto nelle coppie di segnali differenziali.

Un modo per rispondere a queste esigenze, che consente di utilizzare substrati di schede standard per evitare costi più elevati, consiste nell'utilizzare cavi assemblati per alta velocità anziché affidarsi esclusivamente alle tracce delle schede CS. Questi cavi utilizzano configurazioni a terminazione singola e differenziali, materiali avanzati e tecniche che garantiscono un'eccellente integrità del segnale e supportano percorsi di segnale multicanale ad alta densità in rame o fibra ottica. Alcune implementazioni offrono velocità operative fino a 64 Gbps.

Questo articolo esamina i fattori che determinano l'esigenza di una maggiore velocità e le modalità con cui affrontarla. Presenta quindi i cavi assemblati per alta velocità di Samtec e ne descrive le capacità e l'uso.

La necessità di velocità

Il mondo ha bisogno di comunicazioni più veloci. Applicazioni come il 5G e il 6G cellulare, l'intelligenza artificiale (IA), l'informatica quantistica e i "big data" spingono verso nuove architetture di sistema e richiedono larghezze di banda maggiori a velocità di trasmissione più elevate, riducendo al contempo le dimensioni dei dispositivi e dei sistemi. Queste tecnologie in via di sviluppo richiedono interconnessioni in grado di fornire la massima integrità di segnale e mantenere elevati rapporti segnale/rumore (SNR) in presenza di rumore, diafonia, riflessioni, interferenze elettromagnetiche e altre perdite e fonti di interferenza.

L'aumento della velocità ha reso necessario un cambiamento nella tecnologia di connessione. In primo luogo, la trasmissione di segnali sbilanciati, in cui i dati sono trasportati da un singolo filo riferito a un percorso di ritorno (spesso indicato come "terra"), viene soppiantata da connessioni di segnali differenziali in cui due fili trasportano segnali di dati sfasati di 180°. La segnalazione differenziale migliora l'SNR sopprimendo il rumore comune ai due conduttori (rumore di modo comune). In secondo luogo, la codifica dei dati si sta spostando dalla codifica a un singolo bit per ciclo di clock, senza ritorno a zero (NRZ), a più bit per ciclo di clock, come la modulazione dell'ampiezza di impulso a 4 livelli (PAM4), che codifica quattro livelli distinti o due bit per ciclo di clock (Figura 1).

Figura 1: Il diagramma a occhio relativo ai dati NRZ (a destra) ha due possibili stati, 1 o 0, per ciclo di clock; PAM4 (a sinistra) ha quattro possibili stati, 00, 01, 10 e 11, per ciclo di clock. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

PAM4 inserisce due bit di dati in ogni ciclo di clock, utilizzando quattro livelli codificati come 00, 01, 10 o 11. In questo modo si raddoppia la velocità dei dati per una frequenza di clock fissa, ma si riduce l'SNR a causa delle minori variazioni di ampiezza tra gli stati dei dati. La segnalazione PAM4, pertanto, richiede un livello più elevato di integrità di segnale.

Caratterizzare le prestazioni delle linee di trasmissione

Sia che si tratti di circuiti stampati o di cavi, le prestazioni delle linee di trasmissione sono solitamente caratterizzate nel dominio della frequenza da parametri di diffusione (parametri S). Questi parametri descrivono le proprietà di un dispositivo in base al comportamento elettrico osservato agli ingressi e alle uscite, senza conoscere i componenti specifici all'interno del dispositivo. Si utilizzano diverse cifre di merito (FoM), basate su parametri S misurati, per descrivere i dispositivi a due porte come i cavi. Le FoM più utilizzate sono:

• Perdita di inserzione: l'attenuazione subita da un segnale che si propaga dall'ingresso all'uscita di un cavo, espressa in decibel (una linea di trasmissione ideale ha una perdita di inserzione di 0 dB)
• Attenuazione di riflessione: la perdita (in dB) dovuta alle riflessioni del segnale derivanti da un disadattamento di impedenza in uscita
• Diafonia: una misura (in dB) dei segnali indesiderati accoppiati nella linea di trasmissione a causa del cablaggio adiacente

Altre FoM di interesse sono il ritardo di propagazione della linea di trasmissione e lo skew temporale. Il ritardo di propagazione è il ritardo temporale di un segnale che si propaga attraverso una linea di trasmissione. Lo skew temporale è la differenza di tempo tra i segnali su due o più linee di trasmissione.

Opzioni per la linea di trasmissione

È difficile soddisfare in modo economico i requisiti FoM delle configurazioni ad alta frequenza multicanale dei moderni standard di comunicazione dati utilizzando i tradizionali approcci di progettazione dei substrati delle schede CS. Per risolvere questo problema, Samtec, Inc. ha sviluppato cavi ad alta velocità basandosi sui cavi micro coassiali e twinax Eye Speed di sua proprietà, che si distinguono per la bassa perdita e l'eccellente integrità di segnale. Questi cavi, incorporati in cavi assemblati multicanale, offrono prestazioni superiori grazie alla loro struttura unica (Figura 2).

Figura 2: Uno sguardo dettagliato alla costruzione del cavo Eye Speed micro coassiale (a sinistra) e twinax (a destra), che si distinguono per la bassa perdita e l'elevata integrità di segnale. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

I cavi coassiali Eye Speed sono disponibili con conduttori centrali a trefoli da 26 a 28 AWG. La struttura del cavo coassiale garantisce un'elevata flessibilità, leggerezza e piccole dimensioni, particolarmente importanti per le tratte più lunghe.

Il dielettrico è formato da un'estrusione solida di etilpropilene fluorurato (FEP) a bassa costante dielettrica, espanso in aria. La schiuma di espanso crea intrusioni d'aria, con conseguente alta velocità del segnale. Questa famiglia di cavi offre una scelta di schermature metalliche, a nastro o intrecciate per una migliore integrità di segnale.

La struttura del cavo Eye Speed twinax utilizza conduttori in rame argentato da 28 a 36 AWG. I fili di dimensioni maggiori garantiscono perdite di inserzione inferiori, mentre quelli più piccoli offrono una maggiore flessibilità. La coestrusione del dielettrico migliora l'integrità di segnale e la larghezza di banda, offrendo velocità da 28 a 112 Gbps. Il design compatto si traduce in un accoppiamento stretto tra i conduttori di segnale e in una spaziatura ridotta per un passo minore all'interno del cavo assemblato. La perdita di inserzione su 0,25 metri del cavo Eye Speed twinax per dati con clock a 14 GHz (56 Gbps PAM4) è compresa tra -1 e -2,2 dB, a seconda del diametro del filo. Lo skew temporale tra i conduttori del cavo twinax è inferiore a 3,5 ps per metro. Entrambi i tipi di cavo supportano la tecnologia Flyover di Samtec.

Che cos'è la tecnologia Flyover?

La tecnologia Flyover di Samtec utilizza l'elevata larghezza di banda e la bassa perdita dei cavi Eye Speed per sostituire le strutture dei bus su scheda, riducendo significativamente le perdite (Figura 3).

Figura 3: La tecnologia Flyover utilizza i cavi Eye Speed per offrire perdite significativamente ridotte e velocità di clock di 14 GHz e 28 GHz rispetto ai materiali per backplane a bassa o bassissima perdita. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Poiché richiede un minor numero di strati della scheda, la tecnologia Flyover semplifica il layout per velocità di trasmissione dati superiori a 28 Gbps e consente inoltre di utilizzare materiali meno costosi per le schede CS.

Cavi assemblati di Samtec

È disponibile un'ampia gamma di opzioni per i cavi assemblati Eye Speed micro coassiali e twinax. Questi sono offerti come array ad alta densità con caratteristiche come piani di massa integrati, connettori ermafroditi, pressacavo e varie opzioni di connessione e aggancio.

Ad esempio, ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 è un cavo assemblato sottile, spina-spina ad attacco diretto, con 16 coppie di segnali, lungo 152,4 mm e supporta la segnalazione PAM4 a 64 Gbps (Figura 4).

Figura 4: ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 è un cavo assemblato ad attacco diretto con 16 coppie di segnali differenziali che supporta la segnalazione PAM4 a 64 Gbps. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Questo cavo comprende 16 cavi twinax a bassissimo skew in un design a due file ad alta densità, suddivise in 32 contatti con un passo di 0,635 mm. I contatti sono saldati direttamente ai conduttori twinax per un'integrità ottimale di segnale. I cavi sono differenziali da 100 Ω e utilizzano fili da 34 AWG e sono disponibili in configurazioni a 8 e 24 coppie. Vantano un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +125 °C.

ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B è un cavo assemblato bordo scheda-bordo scheda comprendente due file di venti cavi coassiali a terminazione singola da 50 Ω con un connettore a 40 contatti (Figura 5). Il cavo misura 305 mm di lunghezza.

Figura 5: Il cavo assemblato ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B utilizza un cavo coassiale a terminazione singola con un conduttore centrale da 34 AWG. I contatti sono distanziati con un passo di 0,80 mm. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Le linee coassiali utilizzano conduttori centrali da 34 AWG disposti come un cavo a nastro. Il passo del connettore è di 0,80 mm. Questi cavi sono in grado di gestire segnali a 14 Gbps. I connettori utilizzano un meccanismo di bloccaggio a pressione per garantire un accoppiamento positivo. A scelta, l'assieme è disponibile con 10-60 cavi per fila con una varietà di meccanismi di chiusura. Tutti funzionano in un intervallo di temperatura da -25 a +105 °C.

Il cavo assemblato HLCD-20-40-00-TR-TR-2 utilizza due file di dieci cavi a terminazione singola da 50 Ω e ha una lunghezza di 1,02 m. Fornisce quaranta contatti con un passo di 0,5 mm (Figura 6).

Figura 6: Il cavo assemblato HLCD-20-40.00-TR-TR-2 utilizza connettori ermafroditi autoaccoppianti. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

I connettori ermafroditi hanno maschio e femmina che possono essere accoppiati con lo stesso connettore. Vengono utilizzati in applicazioni in cui non è richiesta la polarizzazione del contatto, ad esempio per coppie di dati bidirezionali.

Il modello HLCD-20-40.00-TR-TR-2 offre la possibilità di scegliere tra intervalli di temperatura di funzionamento standard o estesi, rispettivamente da -25 a +105 °C o da -40 a +125 °C.

Il cavo assemblato HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B utilizza due file di cavi twinax da 100 Ω, 30 AWG. Misura 305 mm di lunghezza, ha 20 cavi, utilizza un connettore spina-bordo scheda ed è progettato per funzionare a 14 Gbps (Figura 7).

Figura 7: Il cavo assemblato HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B ha un connettore spina-bordo scheda con due file di cavi twinax da 100 Ω. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Questa famiglia offre opzioni di 20, 40 o 60 cavi e una varietà di connettori per il montaggio superficiale e sul bordo, con un passo dei connettori di 0,5 mm.

Conclusione

L'aumento della velocità dei dati continua a spingere i progettisti a cercare modi innovativi per garantire l'integrità di segnale. Samtec consente di superare i vincoli dei classici bus di segnalazione multicanale su scheda CS e di usufruire di un'ampia gamma di cavi ad alte prestazioni, flessibili ed economici che soddisfano o superano le specifiche delle attuali applicazioni di comunicazione.