5 принципов проектирования для применения надежных межсоединений для приложений с интенсивным использованием данных

Сегодняшняя потребность в высоких скоростях передачи данных в геолокационном картографировании, потоковой передаче видео с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), зондировании с помощью световых изображений, обнаружении и дальности (LiDAR) и других ресурсоемких военных и аэрокосмических приложениях практически безгранична. Солдаты сразу же хотят знать:чиста ли дорога? Это правильное направление? Есть ли на пути полета препятствие?

Чтобы предоставлять ответы в режиме реального времени, встроенные системы и электронные устройства должны использовать технологии межсоединений, которые более надежны, чем решения коммерческого уровня, при этом поддерживая высокоскоростные протоколы (10-Gigabit Ethernet, USB 3.0, InfiniBand), а также скоростные шины (VPX, PCI Express-PCIe). Чтобы помочь разработчикам решить эти проблемы, в этом кратком обзоре описываются пять принципов проектирования для применения надежных межсоединений, которые могут поддерживать высокие скорости и поддерживать высокую целостность сигнала.

1. Следуйте по всему пути прохождения сигнала

В начале проекта полезно рассматривать межсоединения целостно как часть системы, а не думать о них в последнюю минуту. КАЖДОЕ СОЕДИНЕНИЕ ЗНАЧИТ. Это потому, что каждый уровень электронной упаковки предъявляет уникальные требования к способности межсоединения поддерживать целостность сигнала. Каждое межсоединение призвано поддерживать скорость передачи данных и производительность на каждом из шести различных уровней электронной упаковки:

• Уровень 1: Соединения между основным элементом схемы и его выводами.

• Уровень 2: Соединения между выводами компонентов и печатной платой (PCB), например гнездами для интегральных схем (IC).

• Уровень 3: Соединения между двумя печатными платами, как правило, межплатные соединения, которые включают неразъемные краевые соединители, двухкомпонентные соединители и соединители стекирования.

• Уровень 4: Соединения между двумя подсборками, обычно с использованием проводов и кабелей, или разъемов, когда устройству требуется более одного подсборки внутри корпуса.

• Уровень 5: Соединения от подсборки с портами ввода / вывода (I / O) системы, как правило, с подключением к подсборкам с помощью кабелей или прямого соединения (например, соединителя на переборке на плате).

• Уровень 6: Соединения между физически разделенными системами, часто с использованием медных или оптоволоконных кабелей для подключения портов ввода-вывода отдельных систем к другим устройствам, периферийным устройствам и сетевым коммутаторам. Также может потребоваться беспроводное соединение с помощью антенн.

2. Стремитесь к электрически оптимизированному пути

Каждый раз, когда сигнал входит и выходит из цепи или компонента, он теряет силу. Результирующее ухудшение сигнала, известное как «вносимые потери», измеряемое в децибелах (дБ), является внутренним побочным эффектом электромеханических свойств каждого межсоединения. Общие вносимые потери являются продуктом нескольких факторов, включая рассогласование импеданса, потери в проводнике (потери энергии из-за проводника в сигнальной линии) и диэлектрические потери (потери энергии из-за самого диэлектрического материала).

Хотя вносимые потери невозможно устранить, разработчик может выбирать межсоединения, используя материалы и конструкции, которые минимизируют влияние на целостность сигнала. Например, в высокоскоростных приложениях разработчики обычно стремятся использовать разъемы с рейтингом вносимых потерь –1 дБ или меньше, чтобы гарантировать адекватный уровень сигнала. Разработчику необходимо определить приемлемые уровни каналов для данного приложения с учетом других факторов в линии передачи, которые влияют на целостность сигнала.

3. Убедитесь, что полное сопротивление и длина пути совпадают .

Когда межсоединение демонстрирует сопротивление или реактивное сопротивление электрическому току, которое отличается от остальной части схемы, это вызывает разрыв импеданса или рассогласование. Несоответствие импеданса может создавать отражения сигнала, которые влияют на целостность сигнала, когда он проходит по линии передачи. Одной из форм отражения сигнала является «возвратные потери», то есть энергия, отраженная обратно в источник из-за несоответствия импеданса.

Разработчик обычно не может изменить импеданс в соединителе или кабеле, если сам компонент не настроен. Поэтому цель проектирования обычно состоит в том, чтобы согласовать импеданс межсоединения с импедансом эталонной среды. Например, разъем 75 Ом будет более электрически невидимым в системе 75 Ом, чем разъем 50 Ом.

Выбор контактов, кабелей и других элементов с физической геометрией или диэлектрических материалов, которые минимизируют неоднородности импеданса, является первым шагом к поддержанию целостности сигнала. Второй шаг - обеспечить единообразное управление всеми областями перехода от компонента к компоненту. К этим областям относятся паяные соединения, обжимы и переходные области между проводом и разъемом. Значения обратных потерь ниже –10 дБ в целевой полосе частот являются типичной целью, хотя допустимые максимальные и минимальные значения могут быть определены для данного тракта передачи.

Длина пути также важна, когда в межсоединении используются два или более параллельных пути сигнала, например, при передаче сигналов дифференциальной пары. В этом случае длина электрического пути должна быть точно согласована. В противном случае время, которое требуется каждому сигналу для распространения через межсоединение, будет отличаться. Результирующая задержка распространения, известная как «перекос» в дифференциальной паре, отрицательно повлияет на синхронизацию системы, а также увеличит вносимые потери, рассогласование импеданса и перекрестные помехи.