Elektronische apparaten worden voortdurend kleiner, terwijl de datatransmissiesnelheden voortdurend toenemen. Om aan deze trend te kunnen voldoen, moeten ontwerpers in staat zijn om meer circuits in een kleinere ruimte te integreren, terwijl de datatransmissiesnelheid, betrouwbaarheid en signaalintegriteit behouden blijven. Ontwerpers moeten ook de problemen van luchtkoeling en fysieke isolatie aanpakken om elektromagnetische interferentie (EMI) zoveel mogelijk te minimaliseren.
Het stapelen van printplaten (PC-kaarten) is een gebruikelijke methode om de circuitdichtheid te vergroten. Door dochterborden en sandwich-dochterborden te gebruiken, kan meer printplaatruimte worden verkregen, terwijl er koelings- en signaalisolatiepaden worden aangelegd.
Dit artikel schetst kort de verschillende uitdagingen waarmee ontwerpers van hogesnelheidscircuits worden geconfronteerd. Stel dan de board-to-board connectoren van Würth Elektronik voor en leg uit hoe je deze connectoren kunt gebruiken om betrouwbare signaalverbindingen te realiseren met behoud van de signaalintegriteit.
Sandwichpaneel
De lay-out van het sandwichpaneel bestaat uit twee parallelle printplaten die verticaal zijn gestapeld en die elektrisch zijn verbonden via board-to-board-connectoren (Afbeelding 1, links).
Op sandwich gemonteerde printplaten met meerdere kolommen
Figuur 1: De linkerafbeelding toont voorbeelden van meerdere op een sandwich gemonteerde printplaten (PCB's); De afbeelding rechts toont de installatiemethode van het subbord, dat kan worden geïnstalleerd via connectoren, opbouwtechnologie of isolatiekolommen met schroefdraad. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)
Deze board-to-board-opstelling, bestaande uit twee printplaten, zorgt voor meer fysieke ruimte in het circuit. Deze structuur kan worden gebruikt om de volumetrische efficiëntie te verbeteren, uitwisselbaarheid te bereiken of fysieke isolatie te vormen om de luchtstroom te verbeteren en EMI te verminderen. Board-to-board-connectoren worden rechtstreeks op de printplaat aangesloten, zonder gebruik van kabels. De sandwichpaneelverbinder kan meerdere stapelhoogtes bereiken met een bepaalde bordafstand. De bovenste printplaat kan worden ondersteund en vastgezet met connectoren, of worden vastgezet met op het oppervlak gemonteerde of van schroefdraad voorziene isolatiekolommen om de trillings- en schokbestendigheid te verbeteren (Afbeelding 1, rechts).
Overwegingsfactoren voor signaalintegriteit
Signaalintegriteit beschrijft hoe signalen worden vervormd of verzwakt wanneer ze via connectoren van de ene printplaat naar de andere worden verzonden. Sommige van deze effecten, zoals contactweerstand, zijn frequentie-onafhankelijk en kunnen eenvoudig in berekeningen worden verwerkt en gecorrigeerd.
De twee belangrijkste signaalintegriteitsparameters die verband houden met de frequentie zijn echter de reflectiecoëfficiënt (ρ) en de transmissiecoëfficiënt (t) (Figuur 2). De transmissiecoëfficiënt wordt meestal uitgedrukt in decibel (dB) met behulp van invoegverlies. Reflectiecoëfficiënt (retourverlies) wordt veroorzaakt door de reflectie van datasignalen terug naar de signaalbron wanneer impedantiewaardestappen worden aangetroffen. Insertieverlies wordt gebruikt om de verzwakking van het transmissiepad te kwantificeren. Beide zijn afhankelijk van de connectorimpedantie (ZCAB) ten opzichte van de lijnimpedantie van de printplaat (Zs).
Zowel het retourverlies als het invoegverlies zijn afhankelijk van de impedantie van de connector
Afbeelding 2: Retourverlies en invoegverlies zijn afhankelijk van de connectorimpedantie ten opzichte van de lijnimpedantie van de printplaat. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)
Het transmissieverlies vermindert de amplitude van het signaal dat door de connector gaat en is evenredig met de padlengte en de geometrische structuur van de connector. Near end crosstalk (NEXT) of far end crosstalk (FEXT) kunnen ook enig energieverlies veroorzaken. Retourverlies en transmissiecoëfficiënt zijn frequentieafhankelijke parameters die afhankelijk zijn van het verschil tussen de impedantie van de connector (gesimuleerd als een kabel) en de impedantie van de transmissielijn van de printplaat (in dit voorbeeld wordt aangenomen dat deze 50 Ω bedraagt). De reflectiecoëfficiënt en transmissiecoëfficiënt worden gedefinieerd door de getoonde formules.
Figuur 2 toont de variatie van deze parameters met de impedantie van de connector (kabel). Als de impedantie van de connector 50 Ω is, is het theoretische retourverlies nul en de transmissiecoëfficiënt 100%, wat aangeeft dat er geen verlies is. Als de impedantie van de connector afwijkt van 50 Ω, zullen de veranderingen in relevante parameters evenredig zijn aan de afwijkingswaarde en frequentie van de connectorimpedantie vanaf 50 Ω. Bij connectoren hangt de impedantie af van het gebruikte isolatiemateriaal en de geometrische structuur van de pinnen, inclusief breedte, lengte en afstand (afstand). Daarnaast kan de bedrading van aangrenzende pinnen er ook invloed op hebben.
Er zijn twee algemene bedradingsconfiguraties voor het verzenden van hogesnelheidsgegevens (Afbeelding 3): de ene is een structuur met één uiteinde, waarbij het gegevenssignaal naar aarde wordt verwezen; Een ander type is de differentiële structuur, die twee complementaire signaallijnen gebruikt, en de amplitude van het datasignaal is het spanningsverschil tussen de twee signaallijnen. Differentiële signalen worden gebruikt om ruis en interferentie op dubbele signaallijnen te verminderen. Over het algemeen worden differentiële signalen gebruikt voor toepassingen met de hoogste datasnelheden. Datasignalen worden doorgaans gecombineerd met een of meer grondsignalen om het oppikken van ruis te verminderen.