5 Designprinzipien für die Anwendung robuster Verbindungen für datenintensive Anwendungen

Der heutige Bedarf an schnellen Datengeschwindigkeiten bei der Geolokalisierung, Videostreaming für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV), Light-Imaging-Detection-and-Ranging (LiDAR)-Sensorik und anderen datenintensiven Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen ist praktisch grenzenlos. Soldaten wollen sofort wissen:Ist die Spur frei? Ist das die richtige Richtung? Befindet sich ein Hindernis in der Flugbahn?

Um Antworten in Echtzeit zu geben, müssen eingebettete Systeme und elektronische Geräte Verbindungstechnologien verwenden, die robuster sind als kommerzielle Lösungen und gleichzeitig Hochgeschwindigkeitsprotokolle (10-Gigabit-Ethernet, USB 3.0, InfiniBand) sowie schnelle Busse (VPX, PCI-Express-PCIe). Um Entwickler bei der Bewältigung dieser Herausforderungen zu unterstützen, beschreibt dieser kurze Überblick fünf Designprinzipien für die Anwendung robuster Verbindungen, die hohe Geschwindigkeiten unterstützen und eine hohe Signalintegrität aufrechterhalten können.

1. Folgen Sie dem gesamten Signalweg

Zu Beginn eines Projekts ist es sinnvoll, Verbindungen ganzheitlich als Teil des Systems zu betrachten und nicht erst in letzter Minute. JEDE VERBINDUNG ZÄHLT. Das liegt daran, dass jede Ebene der elektronischen Verpackung einzigartige Anforderungen an die Fähigkeit der Verbindung stellt, die Signalintegrität aufrechtzuerhalten. Jede Verbindung muss die Datenraten und die Leistung auf jeder der sechs verschiedenen Ebenen der elektronischen Verpackung beibehalten:

• Level 1: Verbindungen zwischen einem Grundschaltungselement und seinen Leitungen.

• Level 2: Verbindungen zwischen Komponentenleitungen und einer gedruckten Leiterplatte (PCB), wie z. B. Buchsen für integrierte Schaltkreise (IC).

• Level 3: Verbindungen zwischen zwei Leiterplatten, typischerweise Board-to-Board-Verbindungen, die einteilige Kartenkantenverbinder und zweiteilige Verbinder und Stapelverbinder umfassen.

• Level 4: Verbindungen zwischen zwei Unterbaugruppen, die normalerweise Drähte und Kabel umfassen, oder Stiftleisten, wenn ein Gerät mehr als eine Unterbaugruppe in seinem Gehäuse benötigt.

• Level 5: Verbindungen von einer Unterbaugruppe zu den E/A-Ports des Systems, in der Regel mit Verbindungen zu Unterbaugruppen über Kabel oder eine direkte Verbindung (z. B. einen platinenmontierten Schottanschluss).

• Level 6: Verbindungen zwischen physisch getrennten Systemen, die häufig Kupfer- oder Glasfaserkabel verwenden, um E/A-Ports separater Systeme mit anderen Geräten, Peripheriegeräten und Netzwerk-Switches zu verbinden. Kann auch eine drahtlose Verbindung mit Antennen beinhalten.

2. Streben Sie einen elektrisch optimierten Weg an

Jedes Mal, wenn ein Signal in einen Schaltkreis oder eine Komponente hinein- und wieder herauskommt, verliert es an Stärke. Die resultierende Signalverschlechterung – bekannt als „Einfügungsverlust“, gemessen in Dezibel (dB) – ist ein inhärenter Nebeneffekt der elektromechanischen Eigenschaften in jeder Verbindung. Die Gesamteinfügungsdämpfung ist ein Produkt mehrerer Faktoren, einschließlich Impedanzfehlanpassungen, Leiterverlust (Energieverlust aufgrund des Leiters in der Signalleitung) und dielektrischer Verlust (Energieverlust aufgrund des dielektrischen Materials selbst).

Obwohl Einfügungsverluste nicht eliminiert werden können, kann der Designer Verbindungen unter Verwendung von Materialien und Designs auswählen, die die Auswirkungen auf die Signalintegrität minimieren. In Hochgeschwindigkeitsanwendungen streben Entwickler beispielsweise normalerweise nach Steckverbindern mit einer Einfügungsdämpfung von –1 dB oder weniger, um eine angemessene Signalstärke zu gewährleisten. Der Designer muss angesichts anderer Faktoren in der Übertragungsleitung, die die Signalintegrität beeinflussen, akzeptable Kanalpegel für eine bestimmte Anwendung bestimmen.

3. Stellen Sie sicher, dass Impedanz und Pfadlänge übereinstimmen

Wenn eine Verbindung einen Widerstand oder eine Reaktanz gegenüber dem elektrischen Strom aufweist, die sich vom Rest der Schaltung unterscheidet, verursacht dies eine Impedanzdiskontinuität oder -fehlanpassung. Eine Impedanzfehlanpassung kann Signalreflexionen erzeugen, die die Integrität des Signals beeinträchtigen, wenn es die Übertragungsleitung entlang läuft. Eine Form der Signalreflexion ist die „Rückflussdämpfung“, d. h. die Energie, die aufgrund der Impedanzfehlanpassung zur Quelle zurückreflektiert wird.

Ein Konstrukteur kann normalerweise die Impedanz innerhalb eines Steckers oder Kabels nicht ändern, es sei denn, die Komponente selbst wird kundenspezifisch angepasst. Daher besteht das Designziel normalerweise darin, die Impedanz der Verbindung an die Impedanz der Referenzumgebung anzupassen. Beispielsweise ist ein 75-Ω-Stecker in einem 75-Ω-System elektrisch unsichtbarer als ein 50-Ω-Stecker.

Die Auswahl von Kontakten, Kabeln und anderen Elementen mit physikalischen Geometrien oder dielektrischen Materialien, die Impedanzsprünge minimieren, ist der erste Schritt zur Aufrechterhaltung der Signalintegrität. Der zweite Schritt besteht darin, sicherzustellen, dass alle Übergangsbereiche von Komponente zu Komponente konsistent verwaltet werden. Diese Bereiche umfassen Lötverbindungen, Crimps und Übergangsbereiche von Draht zu Verbinder. Rückflussdämpfungswerte unter –10 dB im Zielfrequenzband sind ein typisches Ziel, obwohl akzeptable Maximal- und Minimalwerte für einen gegebenen Übertragungsweg bestimmt werden können.

Die Pfadlänge ist auch wichtig, wenn zwei oder mehr parallele Signalpfade in der Verbindung verwendet werden, wie beispielsweise bei der Differenzpaarsignalisierung. In diesem Fall müssen die elektrischen Weglängen genau abgestimmt werden. Andernfalls wird die Zeit, die jedes Signal benötigt, um sich durch die Verbindung auszubreiten, unterschiedlich sein. Die resultierende Ausbreitungsverzögerung, im Differenzpaar als „Skew“ bekannt, wirkt sich negativ auf das Systemtiming aus und erhöht die Einfügedämpfung, Impedanzfehlanpassung und das Übersprechen.