Электронные устройства постоянно уменьшаются, а скорость передачи данных постоянно увеличивается. Чтобы соответствовать этой тенденции, проектировщики должны иметь возможность интегрировать больше схем в меньшем пространстве, сохраняя при этом скорость передачи данных, надежность и целостность сигнала. Проектировщики также должны решить проблемы воздушного охлаждения и физической изоляции, чтобы максимально минимизировать электромагнитные помехи (EMI).
Укладка печатных плат (PC-плат) штабелированием является распространенным методом увеличения плотности схемы. Используя дочерние платы и дочерние платы типа «сэндвич», можно получить больше места на печатной плате, одновременно создавая пути охлаждения и изоляции сигналов.
В этой статье кратко описываются различные проблемы, с которыми сталкиваются разработчики высокоскоростных схем. Затем познакомьте с разъемами платы Würth Elektronik и объясните, как использовать эти разъемы для обеспечения надежных сигнальных соединений при сохранении целостности сигнала.
Сэндвич-панель
Сэндвич-панель состоит из двух параллельных печатных плат, расположенных вертикально, которые электрически соединены через разъемы между платами (рис. 1, слева).
Печатные платы с несколькими столбцами, смонтированные в виде сэндвича
Рис. 1. На левом изображении показаны примеры нескольких печатных плат (PCB), смонтированных в виде сэндвича; На рисунке справа показан метод установки дополнительной платы, которую можно установить с помощью разъемов, технологии поверхностного монтажа или изолирующих колонн с резьбой. (Источник изображения: Würth Elektronik)
Такое расположение плат к плате, состоящее из двух печатных плат, обеспечивает больше физического пространства в схеме. Эту структуру можно использовать для повышения объемной эффективности, обеспечения взаимозаменяемости или формирования физической изоляции для улучшения воздушного потока и снижения электромагнитных помех. Разъемы «плата-плата» подключаются напрямую к печатной плате без использования кабелей. Соединитель сэндвич-панели может достигать различной высоты штабелирования при определенном расстоянии между платами. Верхняя печатная плата может поддерживаться и фиксироваться с помощью разъемов или фиксироваться с помощью изолирующих стоек для поверхностного монтажа или с резьбой для повышения устойчивости к вибрации и ударам (рис. 1, справа).
Факторы, учитывающие целостность сигнала
Целостность сигнала описывает, как сигналы искажаются или ослабляются при передаче от одной печатной платы к другой через разъемы. Некоторые из этих эффектов, такие как контактное сопротивление, не зависят от частоты и могут быть легко включены в расчеты и скорректированы.
Однако двумя ключевыми параметрами целостности сигнала, связанными с частотой, являются коэффициент отражения (ρ) и коэффициент передачи (t) (рис. 2). Коэффициент передачи обычно выражается в децибелах (дБ) с использованием вносимых потерь. Коэффициент отражения (обратные потери) вызван отражением сигналов данных обратно к источнику сигнала при возникновении скачков значения импеданса. Вносимые потери используются для количественной оценки затухания на пути передачи. Оба зависят от импеданса разъема (ZCAB) относительно импеданса линии печатной платы (Zs).
Как обратные потери, так и вносимые потери зависят от импеданса разъема.
Рисунок 2. Обратные потери и вносимые потери зависят от импеданса разъема относительно импеданса линии печатной платы. (Источник изображения: Würth Elektronik)
Потери при передаче уменьшают амплитуду сигнала, проходящего через разъем, и пропорциональны длине пути и геометрической структуре разъема. Перекрестные помехи на ближнем конце (NEXT) или перекрестные помехи на дальнем конце (FEXT) также могут вызывать некоторую потерю энергии. Обратные потери и коэффициент передачи — это частотно-зависимые параметры, которые зависят от разницы между импедансом разъема (моделируемого кабелем) и импедансом линии передачи печатной платы (в этом примере предполагается, что он равен 50 Ом). Коэффициент отражения и коэффициент прохождения определяются по показанным формулам.
На рис. 2 показано изменение этих параметров в зависимости от импеданса разъема (кабеля). Если полное сопротивление разъема составляет 50 Ом, теоретические обратные потери равны нулю, а коэффициент передачи равен 100 %, что указывает на отсутствие потерь. Если сопротивление разъема отклоняется от 50 Ом, изменения соответствующих параметров будут пропорциональны величине и частоте отклонения сопротивления разъема от 50 Ом. В разъемах импеданс зависит от используемого изоляционного материала и геометрической структуры контактов, включая ширину, длину и расстояние (интервал). Кроме того, на него может оказать влияние и распайка соседних контактов.
Существует две распространенные конфигурации проводки для высокоскоростной передачи данных (рис. 3): одна представляет собой несимметричную структуру, в которой сигнал данных привязан к земле; Другим типом является дифференциальная структура, в которой используются две взаимодополняющие сигнальные линии, а амплитуда сигнала данных представляет собой разность напряжений между двумя сигнальными линиями. Дифференциальные сигналы используются для уменьшения шума и помех в двойных сигнальных линиях. Вообще говоря, дифференциальные сигналы используются для приложений с самыми высокими скоростями передачи данных. Сигналы данных обычно соединяются с одним или несколькими сигналами земли, чтобы уменьшить наводку шума.