Verwendung der richtigen Kabelkonfektionen zur Gewährleistung der Signalintegrität in der Highspeed-Datenkommunikation

Architekturen für elektronische Systemebenen benötigen schnellere Datenraten mit höherwertigen Modulationsverfahren in kompakteren Formfaktoren. Dies erschwert das Layout von Leiterplatten, da die Verluste in den Übertragungsleitungen und die Anfälligkeit für Rauschen, Reflexionen und Übersprechen minimiert werden müssen, um die Signalintegrität zu erhalten und die Anforderungen an die maximale Bitfehlerrate (BER) zu erfüllen. Auch elektrische oder optische Mehrspursignale zwischen ICs oder von Board zu Board erfordern eine minimale Signalverzerrung, insbesondere bei Differenzsignalpaaren.

Eine Möglichkeit, diese Anforderungen zu erfüllen und die Verwendung von Standard-Leiterplattensubstraten zu ermöglichen, um höhere Kosten zu vermeiden, ist die Verwendung von Highspeed-Kabeln, anstatt sich ausschließlich auf Leiterbahnen zu verlassen. Diese Kabelkonfektionen verwenden referenzbezogene und Differenzkonfigurationen, fortschrittliche Materialien und Techniken, die eine hervorragende Signalintegrität bieten und hochdichte, mehrspurige Signalpfade in Kupfer oder Glasfaser unterstützen. Einige Implementierungen bieten Betriebsraten von bis zu 64 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s).

In diesem Artikel wird erörtert, warum der Bedarf an höherer Geschwindigkeit besteht und wie er gedeckt werden kann. Anschließend werden Highspeed-Kabelkonfektionen von Samtec vorgestellt und ihre Möglichkeiten und Verwendung beschrieben.

Das Bedürfnis nach Geschwindigkeit

Die Welt ist hungrig nach schnellerer Kommunikation. Anwendungen wie 5G- und 6G-Mobilfunk, künstliche Intelligenz (KI), Quantencomputing und „Big Data“ führen zu neuen Systemarchitekturen und erfordern höhere Bandbreiten bei schnelleren Übertragungsraten, während die Größe von Geräten und Systemen schrumpft. Diese sich entwickelnden Technologien erfordern Verbindungen, die höchste Signalintegrität bieten und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bei Rauschen, Übersprechen, Reflexionen, elektromagnetischen Störungen und anderen Verlusten und Störquellen aufrechterhalten können.

Höhere Geschwindigkeiten haben Änderungen in der Verbindungstechnologie erforderlich gemacht. Erstens wird die referenzbezogene Signalübertragung, bei der die Daten über eine einzige Leitung mit Bezug auf eine Rückleitung (oft als „Masse“ bezeichnet) übertragen werden, durch differenzielle Signalverbindungen ersetzt, bei denen zwei Leitungen die Datensignale 180˚ phasenverschoben übertragen. Die Differenzsignalisierung verbessert das SNR durch Unterdrückung des gemeinsamen Rauschens der beiden Leiter (Gleichtaktrauschen). Zweitens geht die Datencodierung von der NRZ-Codierung (Non-Return-to-Zero) mit einem Bit pro Taktzyklus zu mehreren Bits pro Taktzyklus über, wie z. B. die Puls-Amplituden-Modulation mit 4 Stufen (PAM4), die vier verschiedene Stufen oder zwei Bits pro Taktzyklus codiert (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Augendiagramm für NRZ-Daten (rechts) hat zwei mögliche Zustände, 1 oder 0, pro Taktzyklus; PAM4 (links) hat vier mögliche Zustände, 00, 01, 10 und 11, pro Taktzyklus. (Bildquelle: Art Pini)

PAM4 packt zwei Datenbits in jeden Taktzyklus, wobei die vier Zustände als 00, 01, 10 oder 11 kodierte Zustände verwendet werden. Dadurch verdoppelt sich die Datenrate bei einer festen Taktrate, aber das SNR sinkt aufgrund der geringeren Amplitudenschwankungen zwischen den Datenzuständen. Die PAM4-Signalübertragung erfordert daher ein höheres Maß an Signalintegrität.

Charakterisierung der Performance von Übertragungsleitungen

Unabhängig davon, ob es sich um gedruckte Schaltungen oder Kabel handelt, wird die Leistung von Übertragungsleitungen in der Regel im Frequenzbereich durch Streuparameter (s-Parameter) charakterisiert. S-Parameter beschreiben die Eigenschaften einer Komponente auf der Grundlage des elektrischen Verhaltens, das an den Eingängen und Ausgängen beobachtet wird, ohne dass die spezifischen Komponenten im Inneren des Geräts bekannt sind. Zur Beschreibung von Komponenten mit zwei Anschlüssen, wie z. B. Kabeln, werden verschiedene Gütefaktoren verwendet, die auf gemessenen s-Parametern beruhen. Die am häufigsten verwendeten Gütefaktoren sind:

• Einfügedämpfung: Die Dämpfung eines Signals, das sich vom Eingang zum Ausgang eines Kabels ausbreitet, ausgedrückt in Dezibel (dB) (eine ideale Übertragungsleitung hat eine Einfügedämpfung von 0 dB)
• Rückflussdämpfung: Der Verlust (in dB) aufgrund von Signalreflexionen, die aus einer Impedanzfehlanpassung am Ausgang resultieren
• Übersprechen: Ein Maß (in dB) für unerwünschte Signale, die aufgrund von benachbarten Leitungen in die Übertragungsleitung eingekoppelt werden

Weitere interessante Gütefaktoren sind die Laufzeitverzögerung der Übertragungsleitung und der Zeitversatz. Die Laufzeitverzögerung ist die zeitliche Verzögerung, mit der sich ein Signal durch eine Übertragungsleitung ausbreitet. Der Zeitversatz ist die Zeitdifferenz zwischen Signalen auf zwei oder mehr Übertragungsleitungen.

Optionen für Übertragungsleitungen

Es ist eine Herausforderung, die Anforderungen von Hochfrequenz- und Mehrspurkonfigurationen moderner Datenkommunikationsstandards mit herkömmlichen Ansätzen für das PC-Board-Substratdesign bezüglich der Gütefaktoren kosteneffizient zu erfüllen. Aus diesem Grund hat Samtec Inc. Hochgeschwindigkeitskabel entwickelt, bei denen die firmeneigenen Eye-Speed-Mikrokoaxial- und -Twinaxialkabel zum Einsatz kommen, die sich durch geringe Verluste und hervorragende Signalintegrität auszeichnen. Diese Kabel, die in mehrspurige Kabelsysteme integriert sind, bieten aufgrund ihrer einzigartigen Konstruktion eine hervorragende Performance (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Abbildung zeigt einen detaillierten Einblick in die Konstruktion der Eye-Speed-Mikrokoaxial- (links) und -Twinaxialkabel (rechts), die sich durch geringe Verluste und hohe Signalintegrität auszeichnen. (Bildquelle: Samtec)

Eye-Speed-Koaxialkabel sind mit mittig angeordneten 26 bis 28 AWG (American Wire Gauge) durchmessenden Litzenleitern erhältlich. Diese Koaxialkabelkonstruktion bietet eine hohe Flexibilität, ein geringes Gewicht und eine geringe Größe, was besonders bei längeren Strecken wichtig ist.

Das Dielektrikum besteht aus einer festen Extrusion von fluoriertem Ethylen-Propylen (FEP) mit niedriger Dielektrizitätskonstante, das mit Luft aufgeschäumt wird. Durch das Schäumen entsteht ein Lufteinschluss, der zu einer hohen Signalgeschwindigkeit führt. Diese Kabelfamilie bietet eine Auswahl an metallischen Band- oder Geflechtabschirmungen für verbesserte Signalintegrität.

Die Konstruktion des Eye-Speed-Twinaxialkabels verwendet versilberte 28 bis 36 AWG Kupferleiter. Dickere Drähte sorgen für geringere Einfügungsdämpfungen, während dünnere Drähte mehr Flexibilität bieten. Die Koextrusion des Dielektrikums verbessert die Signalintegrität und die Bandbreite und ermöglicht Übertragungsraten von 28 bis 112 Gbit/s. Die kompakte Bauweise führt zu einer engen Kopplung zwischen den Signalleitern und einem geringeren Abstand für eine kleinere Teilung innerhalb der Kabelkonfektion. Die Einfügedämpfung für 0,25 Meter (m) Eye-Speed-Twinaxialkabel für Daten, die mit 14 Gigahertz (GHz) getaktet sind (56 Gbit/s PAM4), liegt im Bereich von -1 bis -2,2 dB, je nach Drahtdurchmesser. Der zeitliche Versatz zwischen den Leitern im Twinaxialkabel beträgt weniger als 3,5 Pikosekunden (ps) pro Meter. Beide Kabeltypen unterstützen die Flyover-Technologie von Samtec.

Was ist die Flyover-Technologie?

Die Flyover-Technologie von Samtec nutzt die hohe Bandbreite und den geringen Verlust von Eye-Speed-Kabeln, um Busstrukturen auf der Platine zu ersetzen und so die Verluste erheblich zu reduzieren (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Flyover-Technologie verwendet Eye-Speed-Kabel, die im Vergleich zu verlustarmen oder extrem verlustarmen Busplatinenmaterialien deutlich geringere Verluste und Taktraten von 14 GHz und 28 GHz bieten. (Bildquelle: Samtec)

Da die Flyover-Technologie weniger Platinenlagen benötigt, vereinfacht sie das Platinenlayout für Datenraten über 28 Gbit/s. Es ermöglicht auch die Verwendung von weniger teuren Leiterplattenmaterialien.

Samtec-Kabelkonfektionen

Es gibt eine breite Palette von Eye-Speed-Mikrokoaxial- und -Twinaxialkabeln Sie sind als hochkompakte Arrays erhältlich und bieten Merkmale wie integrierte Masseflächen, hermaphroditische Steckverbinder, Zugentlastung und verschiedene Anschluss- und Verriegelungsoptionen.

Das ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 zum Beispiel ist ein schlankes, direkt steckbares Stecker-zu-Stecker-Kabel mit 16 Signalpaaren, das 6 Zoll (in.) (152,4 Millimeter (mm)) lang ist und die PAM4-Signalübertragung mit 64 Gbit/s unterstützt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 ist eine direkt steckbare Kabelkonfektion mit 16 Differenzsignalpaaren, das PAM4-Signale mit 64 Gbit/s unterstützt. (Bildquelle: Samtec)

Diese Kabelkonfektion besteht aus 16 Twinaxialkabeln mit extrem geringem Zeitversatz in einem zweireihigen Design mit hoher Dichte und 32 Kontakten mit einem Abstand von 0,635 mm (0,025 Zoll). Die Kontakte sind für eine optimale Signalintegrität direkt mit den Twinaxialleitern verlötet. Die Kabel sind 100 Ohm (Ω) differenziell, verwenden 34 AWG durchmessende Drähte und sind in 8- und 24-Paar-Konfigurationen erhältlich. Sie besitzen einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C.

Das ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B ist eine Kartenrand-zu-Kartenrand-Kabelkonfektion, die zwei Reihen von zwanzig referenzbezogenen 50Ω-Koaxialkabeln mit einem 40-Kontakt-Steckverbinder umfasst (Abbildung 5). Die Kabellänge beträgt 12 Zoll (305 mm).

Abbildung 5: Die Kabelkonfektion ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B verwendet ein referenzbezogenes Koaxialkabel mit einem 34AWG-Mittelleiter. Die Kontakte sind in einem Abstand von 0,80 mm (0,0315 Zoll) angeordnet. (Bildquelle: Samtec)

Die Koaxialleitungen verwenden 34 AWG durchmessende Mittelleiter, die als Flachbandkabel angeordnet sind. Das Rastermaß beträgt 0,0315 Zoll (0,80 mm). Diese Kabel sind für die Übertragung von Signalen mit 14 Gbit/s ausgelegt. Die Steckverbinder verfügen über einen Quetschverriegelungsmechanismus, der eine sichere Verbindung gewährleistet. Optional ist die Kabelkonfektion mit 10 bis 60 Kabeln pro Reihe mit einer Vielzahl von Verriegelungsmechanismen erhältlich. Alle arbeiten in einem Temperaturbereich von -25°C bis +105°C.

Die Kabelkonfektion HLCD-20-40-00-TR-TR-2 besteht aus zwei Reihen von zehn referenzbezogenen 50Ω-Kabeln mit einer Länge von 1,02 m (40 Zoll). Sie bietet vierzig Kontakte mit einem Kontaktabstand von 0,0197 Zoll (0,5 mm) (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Kabelkonfektion HLCD-20-40.00-TR-TR-2 verwendet selbststeckende hermaphroditische Steckverbinder. (Bildquelle: Samtec)

Hermaphroditische Steckverbinder haben Stifte und Buchsen, die mit demselben Steckverbinder zusammengesteckt werden können. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen keine Kontaktpolarisierung erforderlich ist, wie z. B. bei bidirektionalen Datenpaaren.

Das HLCD-20-40.00-TR-TR-2 kann in einem Standard- oder erweiterten Temperaturbereich von -25°C bis +105°C bzw. -40°C bis +125°C eingesetzt werden.

Die Kabelkonfektion HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B verwendet zwei Reihen von 30 AWG durchmessenden 100Ω-Twinaxialkabeln. Sie ist 305 mm (12 Zoll) lang, hat 20 Leitungen, verwendet einen Stecker-zu-Kartenrand-Anschluss und ist für den Betrieb mit 14 Gbit/s ausgelegt (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Kabelkonfektion HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B verfügt über einen Stecker-zu-Kartenrand-Anschluss mit zwei Reihen von 100Ω-Twinaxialkabeln. (Bildquelle: Samtec)

Diese Familie bietet Optionen für 20, 40 oder 60 Kabel und eine Vielzahl von oberflächen- und kantenmontierbaren Steckverbindern mit einem Rastermaß von 0,020 Zoll (0,5 mm).

Fazit

Höhere Datenraten erzwingen innovative Wege zur Sicherstellung der Signalintegrität. Samtec ermöglicht es, die Beschränkungen klassischer mehrspuriger Leiterplatten-Signalbusse zu überwinden und die Vorteile eines breiten Spektrums leistungsstarker, flexibler und kostengünstiger Kabelkonfektionen zu nutzen, die die Spezifikationen der heutigen Kommunikationsanwendungen erfüllen oder übertreffen.