5 ontwerpprincipes voor het toepassen van robuuste interconnects voor data-intensieve toepassingen

De huidige behoefte aan hoge datasnelheden bij geolocatiekartering, videostreaming van onbemande luchtvaartuigen (UAV), light-imaging-detection-and-ranging (LiDAR)-detectie en andere data-intensieve militaire en ruimtevaarttoepassingen is praktisch onbeperkt. Soldaten willen meteen weten:is het spoor duidelijk? Is dit de goede richting? Is er een obstakel in de vliegroute?

Om in realtime antwoorden te kunnen geven, moeten embedded systemen en elektronische apparaten gebruik maken van interconnectietechnologieën die robuuster zijn dan commerciële oplossingen, terwijl ze zowel snelle protocollen (10-Gigabit Ethernet, USB 3.0, InfiniBand) als snelle bussen (VPX, PCI Express-PCIe). Om ontwikkelaars te helpen deze uitdagingen het hoofd te bieden, beschrijft dit korte overzicht vijf ontwerpprincipes voor het toepassen van robuuste verbindingen die hoge snelheden kunnen ondersteunen en een hoge signaalintegriteit kunnen behouden.

1. Volg het volledige signaalpad

Aan het begin van een project is het waardevol om interconnects holistisch te bekijken als onderdeel van het systeem in plaats van een last-minute bijzaak. ELKE VERBINDING TELT. Dat komt omdat elk niveau van elektronische verpakking unieke eisen stelt aan het vermogen van de interconnect om de signaalintegriteit te behouden. Elke interconnect wordt gebruikt om datasnelheden en prestaties op elk van de zes verschillende niveaus van elektronische verpakking te handhaven:

• Niveau 1: Verbindingen tussen een basiscircuitelement en zijn kabels.

• Niveau 2: Verbindingen tussen componentkabels en een printplaat (PCB), zoals IC-voetjes (Integrated Circuit).

• Niveau 3: Verbindingen tussen twee printplaten, meestal board-to-board-verbindingen, waaronder eendelige kaartrandconnectoren en tweedelige connectoren en stapelconnectoren.

• Niveau 4: Verbindingen tussen twee subassemblages, meestal met draden en bekabeling, of headers wanneer een apparaat meer dan één subassemblage in zijn behuizing nodig heeft.

• Niveau 5: Verbindingen van een subeenheid naar de invoer-/uitvoerpoorten (I/O) van het systeem, meestal met verbindingen naar subeenheden via kabels of een directe verbinding (zoals een op een bord gemonteerde schotconnector).

• Niveau 6: Verbindingen tussen fysiek gescheiden systemen, waarbij vaak gebruik wordt gemaakt van koperen of glasvezelkabels om I/O-poorten van afzonderlijke systemen te verbinden met andere apparaten, randapparatuur en netwerkswitches. Kan ook betrekking hebben op een draadloze verbinding met behulp van antennes.

2. Streef naar een elektrisch geoptimaliseerd pad

Elke keer dat een signaal in en uit een circuit of een component gaat, verliest het aan kracht. De resulterende signaaldegradatie - bekend als "insertieverlies", gemeten in decibel (dB) - is een inherent neveneffect van de elektromechanische eigenschappen in elke interconnect. Totaal invoegverlies is een product van verschillende factoren, waaronder impedantiemismatches, geleiderverlies (energieverlies door de geleider in de signaallijn) en diëlektrisch verlies (energieverlies door het diëlektrische materiaal zelf).

Hoewel invoegverlies niet kan worden geëlimineerd, kan de ontwerper interconnects selecteren met materialen en ontwerpen die de impact op de signaalintegriteit minimaliseren. In hogesnelheidstoepassingen streven ontwerpers bijvoorbeeld meestal naar connectoren met een -1 dB invoegverliesclassificatie of minder om voldoende signaalsterkte te garanderen. De ontwerper moet voor een bepaalde toepassing acceptabele kanaalniveaus bepalen met het oog op andere factoren in de transmissielijn die de signaalintegriteit beïnvloeden.

3. Zorg ervoor dat de impedantie en padlengte overeenkomen

Wanneer een interconnect een weerstand of reactantie tegen de elektrische stroom vertoont die verschilt van de rest van het circuit, veroorzaakt dit een impedantiediscontinuïteit of mismatch. Een mismatch in de impedantie kan signaalreflecties veroorzaken die de integriteit van het signaal beïnvloeden terwijl het door de transmissielijn gaat. Een vorm van signaalreflectie is "retourverlies", wat de energie is die wordt teruggekaatst naar de bron vanwege de impedantiemismatch.

Een ontwerper kan de impedantie in een connector of kabel meestal niet wijzigen, tenzij het onderdeel zelf is aangepast. Daarom is het ontwerpdoel meestal om de impedantie van de interconnect af te stemmen op de impedantie van de referentieomgeving. Een 75-Ω-connector is bijvoorbeeld meer elektrisch onzichtbaar in een 75-Ω-systeem dan een 50-Ω-connector.

Het selecteren van contacten, kabels en andere elementen met fysieke geometrieën of diëlektrische materialen die impedantiediscontinuïteiten minimaliseren, is de eerste stap om de signaalintegriteit te behouden. De tweede stap is ervoor te zorgen dat alle overgangsgebieden van component naar component consistent worden beheerd. Deze gebieden omvatten soldeerverbindingen, plooien en overgangsgebieden van draad naar connector. Retourverlieswaarden onder –10 dB in de beoogde frequentieband is een typisch doel, hoewel acceptabele maximum- en minimumwaarden kunnen worden bepaald voor een bepaald transmissiepad.

Padlengte is ook belangrijk wanneer twee of meer parallelle signaalpaden worden gebruikt in de verbinding, zoals bij differentiële paarsignalering. In dit geval moeten de elektrische padlengtes precies op elkaar worden afgestemd. Anders zal de tijd die elk signaal nodig heeft om zich door de interconnect te verspreiden, verschillen. De resulterende voortplantingsvertraging, bekend als "skew" in het differentiële paar, heeft een negatieve invloed op de systeemtiming en verhoogt het invoegverlies, impedantiemismatch en overspraak.