Use os cabos de conexão certos para garantir a integridade do sinal em comunicações de dados de alta velocidade

As arquiteturas de sistemas eletrônicos precisam de taxas de dados mais rápidas com esquemas de modulação de nível mais alto em fatores de forma mais compactos. Isso complica o layout da placa de circuito impresso, pois os projetistas trabalham para minimizar as perdas na linha de transmissão e reduzir a suscetibilidade a ruídos, reflexões e diafonia para manter a integridade do sinal e atender aos requisitos máximos de taxa de erro de bit (BER). Além disso, os sinais elétricos ou ópticos de várias vias entre CIs, ou de placa a placa exigem um desvio de sinal minimizado, especialmente em pares de sinais diferenciais.

Uma maneira de atender a essas necessidades, que permite o uso de substratos de placa padrão para evitar custos mais altos, é usar cabos de conexão de alta velocidade em vez de depender exclusivamente de trilhas da placa de circuito impresso. Esses cabos usam configurações de terminais simples e diferenciais, materiais avançados e técnicas que oferecem excelente integridade de sinal e suportam caminhos de sinal de alta densidade e várias vias em cobre ou fibra óptica. Algumas implementações apresentam taxas operacionais de até 64 gigabits por segundo (Gbps).

Este artigo discute o que está causando a necessidade de maior velocidade e como ela está sendo abordada. Em seguida, apresenta os cabos de conexão de alta velocidade da Samtec e descreve seus recursos e uso.

A necessidade de velocidade

O mundo está ávido por comunicações mais rápidas. Aplicações como celulares 5G e 6G, inteligência artificial (IA), computação quântica e "Big Data" impulsionam novas arquiteturas de sistema e exigem maiores larguras de banda em taxas de transmissão mais rápidas, ao mesmo tempo em que reduzem o tamanho do dispositivo e do sistema. Essas tecnologias em desenvolvimento exigem interconexões que possam fornecer a mais alta integridade de sinal e manter altas relações sinal-ruído (SNRs) na presença de ruído, diafonia, reflexões, interferência eletromagnética e outras perdas e fontes de interferência.

As velocidades mais altas exigiram mudanças na tecnologia de conexão. Primeiro, a transmissão de sinal de terminal simples, em que os dados são transportados por um único fio referenciado a um caminho de retorno (geralmente chamado de "terra"), está sendo substituída por conexões de sinal diferencial, em que dois fios transportam sinais de dados 180˚ fora de fase. A sinalização diferencial melhora a SNR ao suprimir o ruído comum aos dois condutores (ruído de modo comum). Em segundo lugar, a codificação de dados está mudando de um único bit por ciclo de clock, codificação sem retorno a zero (NRZ) para vários bits por ciclo de clock, como a modulação de amplitude de pulso de 4 níveis (PAM4), que codifica quatro níveis distintos ou dois bits por ciclo de clock (Figura 1).

Figura 1: O diagrama ocular para dados NRZ (à direita) tem dois estados possíveis, 1 ou 0, por ciclo de clock; o PAM4 (à esquerda) tem quatro estados possíveis, 00, 01, 10 e 11, por ciclo de clock. (Fonte da imagem: Art Pini)

O PAM4 empacota dois bits de dados em cada ciclo de clock, usando quatro níveis codificados como 00, 01, 10 ou 11. Isso dobra a taxa de dados para uma taxa de clock fixa, mas diminui a SNR devido às variações de amplitude menores entre os estados de dados. A sinalização PAM4, portanto, exige um nível mais alto de integridade do sinal.

Caracterização do desempenho da linha de transmissão

Sejam circuitos impressos ou cabos, o desempenho da linha de transmissão é geralmente caracterizado no domínio da frequência por parâmetros de espalhamento (parâmetros s). Os parâmetros S descrevem as propriedades de um dispositivo com base no comportamento elétrico observado nas entradas e saídas sem conhecer os componentes específicos dentro do dispositivo. Várias figuras de mérito (FoMs), baseadas em parâmetros s medidos, são usadas para descrever dispositivos de duas portas, como cabos. As FoMs mais usadas são:

• Perda de inserção: A atenuação sofrida por um sinal que se propaga da entrada para a saída de um cabo, expressa em decibéis (dB) (uma linha de transmissão ideal tem uma perda de inserção de 0 dB)
• Perda de retorno: A perda (em dB) devido a reflexões de sinal resultantes de um descasamento de impedância na saída
• Diafonia: Uma medida (em dB) de sinais indesejados acoplados à linha de transmissão devido à fiação adjacente

Outras FoMs de interesse são o atraso de propagação da linha de transmissão e o desvio de tempo. O atraso de propagação é o tempo de atraso de um sinal que se propaga por uma linha de transmissão. O desvio de tempo é a diferença de tempo entre os sinais em duas ou mais linhas de transmissão.

Opções de linhas de transmissão

É um desafio atender de forma econômica aos requisitos de FoM das configurações de alta frequência e de várias vias dos padrões modernos de comunicação de dados usando abordagens tradicionais de projeto de substrato de PCI. Para resolver isso, a Samtec Inc. desenvolveu cabos de conexão de alta velocidade usando seus cabos micro coaxiais e twinax Eye Speed, que se destacam por sua baixa perda e excelente integridade de sinal. Esses cabos, incorporados em conjuntos de cabos de várias vias, oferecem desempenho superior devido à sua confecção exclusiva (Figura 2).

Figura 2: É mostrada uma visão detalhada da confecção dos cabos micro coaxiais (esquerda) e twinax (direita) Eye Speed, que se destacam por sua baixa perda e alta integridade de sinal. (Fonte da imagem: Samtec)

Os cabos coaxiais Eye Speed estão disponíveis com fios flexíveis de bitola 26 a 28 AWG (American Wire Gauge). Essa confecção de cabo coaxial resulta em alta flexibilidade, leveza e tamanho pequeno, o que é especialmente importante para extensões mais longas.

O dielétrico é formado como uma extrusão rígida de etileno-propileno fluorado (FEP) de baixa constante dielétrica e espuma de ar. A formação de espuma cria intrusões de ar, resultando em alta velocidade de sinal. Essa família de cabos oferece uma opção de bainhas metálicas enroladas, de fita ou trançadas para melhorar a integridade do sinal.

A confecção do cabo twinax Eye Speed usa condutores de cobre revestidos com prata de 28 a 36 AWG. Os fios maiores proporcionam menores perdas de inserção, enquanto os fios menores oferecem maior flexibilidade. A co-extrusão do dielétrico melhora a integridade do sinal e a largura de banda, permitindo taxas de 28 a 112 Gbps. O design compacto resulta em um acoplamento firme entre os condutores de sinal e um espaçamento menor para um passo menor dentro do conjunto de cabos de conexão. A perda de inserção para 0,25 metro (m) do twinax Eye Speed para dados com clock de 14 gigahertz (GHz) (56 Gbps PAM4) está na faixa de -1 a -2,2 dB, dependendo do diâmetro do fio. O desvio de tempo entre os condutores no cabo twinax é inferior a 3,5 picossegundos (ps) por metro. Ambos os tipos de cabo são compatíveis com a tecnologia Flyover da Samtec.

O que é a tecnologia Flyover?

A tecnologia Flyover da Samtec usa a alta largura de banda e a baixa perda dos cabos de conexão Eye Speed para substituir as estruturas de barramento na placa, reduzindo significativamente as perdas (Figura 3).

Figura 3: A tecnologia Flyover usa cabos Eye Speed para oferecer perdas significativamente reduzidas e taxas de clock de 14 GHz e 28 GHz em comparação com materiais backplane de perda baixa ou baixíssima. (Fonte da imagem: Samtec)

Por exigir menos camadas de placa, a tecnologia Flyover simplifica os layouts de placa para taxas de dados acima de 28 Gbps. Também permite o uso de materiais de placa de circuito impresso mais baratos.

Cabos de conexão Samtec

Há uma ampla variedade de opções de cabos de conexão microcoaxiais e twinax Eye Speed. Eles estão disponíveis em matrizes de alta densidade e oferecem recursos como planos de aterramento integrais, conectores hermafroditas, alívio de tensão e várias opções de conexão e travamento.

Por exemplo, o ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 é um cabo de conexão fino, de plugue a plugue, conexão direta, com 16 pares de sinais e cerca de 152,4 milímetros (mm) (6 polegadas) de comprimento e suporta sinalização PAM4 de 64 Gbps (Figura 4).

Figura 4: O ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 é um cabo de conexão direta com 16 pares de sinais diferenciais que suporta sinalização PAM4 de 64 Gbps. (Fonte da imagem: Samtec)

Esse conjunto é composto por 16 cabos twinax de desvio baixíssimo em um design de duas fileiras de alta densidade, divididos em 32 contatos com um passo de 0,635 mm (0,025 polegada). Os contatos são soldados diretamente aos condutores twinax para otimizar a integridade do sinal. Os cabos são diferenciais de 100 ohm (Ω) usando fio 34 AWG e estão disponíveis em configurações de 8 e 24 pares. Eles têm uma faixa de temperatura operacional de -40°C a +125°C.

O ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B é um cabo de conexão de borda a borda da placa, composto por duas fileiras de vinte cabos coaxiais de 50 Ω, de terminal simples, com um conector de 40 contatos (Figura 5). O comprimento do cabo é de 305 mm (12 polegadas).

Figura 5: O cabo de conexão ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B usa um cabo coaxial de terminal simples com um condutor central de 34 AWG. Os contatos são espaçados em 0,80 mm (0,0315 polegada). (Fonte da imagem: Samtec)

As linhas coaxiais usam condutores centrais de 34 AWG dispostos como um cabo de fita. O passo do conector é de 0,80 mm (0,0315 polegada). Esses cabos são dimensionados para suportar sinais de 14 Gbps. Os conectores usam um mecanismo de bloqueio com trava de aperto para garantir o acoplamento positivo. Opcionalmente, o conjunto está disponível com 10 a 60 cabos por fileira com uma variedade de mecanismos de travamento. Todos operam em uma faixa de temperatura de -25°C a +105°C.

O cabo de conexão HLCD-20-40-00-TR-TR-2 usa duas fileiras de dez cabos de terminal simples de 50 Ω com um comprimento de 1,02 m (40 polegadas). Fornece quarenta contatos com um passo de contato de 0,5 mm (0,0197 polegada) (Figura 6).

Figura 6: O cabo de conexão HLCD-20-40.00-TR-TR-2 usa conectores hermafroditas de autoacoplamento. (Fonte da imagem: Samtec)

Os conectores hermafroditas têm pinos e soquetes que podem ser acoplados com o mesmo conector. Eles são usados em aplicações em que a polarização do contato não é necessária, como pares de dados bidirecionais.

O HLCD-20-40.00-TR-TR-2 oferece uma opção de faixas de temperatura operacional padrão ou estendida de -25°C a +105°C ou -40°C a +125°C, respectivamente.

O cabo de conexão HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B usa fileiras duplas de cabos twinax de 100 Ω e 30 AWG. Ele mede 305 mm (12 polegadas) de comprimento, tem 20 cabos, usa um conector de plugue para borda de placa e é dimensionado para operação a 14 Gbps (Figura 7).

Figura 7: O conjunto HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B tem um conector de plugue para borda de placa com duas fileiras de cabo twinax de 100 Ω. (Fonte da imagem: Samtec)

Essa família oferece opções de 20, 40 ou 60 cabos e uma variedade de conectores de montagem em superfície e borda, e tem um passo de conector de 0,5 mm (0,020 polegada).

Conclusão

Taxas de dados mais altas continuam levando os projetistas a buscar formas inovadoras de garantir a integridade do sinal. Trabalhar com a Samtec permite que eles superem as restrições dos barramentos clássicos de sinalização de placas de circuito impresso de várias vias e aproveitem uma ampla variedade de conjuntos de cabos de conexão de alto desempenho, flexíveis e econômicos que atendem ou superam as especificações das aplicações de comunicação atuais.