Utilice los arneses de cables adecuados para garantizar la integridad de la señal en las comunicaciones de datos a alta velocidad

Las arquitecturas de sistemas electrónicos necesitan velocidades de datos más rápidas con esquemas de modulación de mayor nivel en factores de forma más compactos. Esto complica la disposición de la placa de circuito impreso (PC), ya que los diseñadores trabajan para minimizar las pérdidas en las líneas de transmisión y reducir la susceptibilidad al ruido, las reflexiones y la diafonía para mantener la integridad de la señal y cumplir los requisitos de tasa de error de bit (BER) máxima. Además, las señales eléctricas u ópticas de varios carriles entre CI o placa a placa requieren una desviación mínima de la señal, especialmente en pares de señales diferenciales.

Una forma de abordar estas necesidades que permite utilizar sustratos de placa estándar para evitar costos más elevados es utilizar arneses de cables de alta velocidad en lugar de depender únicamente de las trazas de la placa de PC. Estos ensamblajes utilizan configuraciones de terminación única y diferencial, materiales avanzados y técnicas que proporcionan una excelente integridad de la señal y admiten trayectos de señal de alta densidad y varios carriles en cobre o fibra óptica. Algunas implementaciones ofrecen velocidades operativas de hasta 64 gigabits por segundo (Gbps).

En este artículo se analiza la necesidad de mayor velocidad y cómo se está abordando. A continuación, presenta los arneses de cables de alta velocidad de Samtec y describe sus posibilidades y uso.

La necesidad de velocidad

El mundo necesita comunicaciones más rápidas. Las aplicaciones, como la telefonía móvil 5G y 6G, la inteligencia artificial (IA), la computación cuántica y el "Big data", impulsan nuevas arquitecturas de sistemas y exigen mayores anchos de banda a velocidades de transmisión más rápidas, al tiempo que se reduce el tamaño de los dispositivos y sistemas. Estas tecnologías en desarrollo requieren interconexiones capaces de proporcionar la máxima integridad de la señal y mantener elevadas relaciones señal/ruido (SNR) en presencia de ruido, diafonía, reflexiones, interferencias electromagnéticas y otras pérdidas y fuentes de interferencias.

Las mayores velocidades han hecho necesarios cambios en la tecnología de conexión. En primer lugar, la transmisión de señales monofásicas, en la que los datos son transportados por un solo cable referenciado a una vía de retorno (a menudo denominada "tierra"), está siendo sustituida por conexiones de señales diferenciales en las que dos cables transportan señales de datos 180˚ fuera de fase. La señalización diferencial mejora la SNR al suprimir el ruido común a los dos conductores (ruido de modo común). En segundo lugar, la codificación de datos está pasando de un único bit por ciclo de reloj, la codificación sin retorno a cero (NRZ), a múltiples bits por ciclo de reloj, como la modulación de amplitud de impulsos de 4 niveles (PAM4), que codifica cuatro niveles distintos o dos bits por ciclo de reloj (Figura 1).

Figura 1: El diagrama de ojo para datos NRZ (derecha) tiene dos estados posibles, 1 o 0, por ciclo de reloj; PAM4 (izquierda) tiene cuatro estados posibles, 00, 01, 10 y 11, por ciclo de reloj. (Fuente de la imagen: Art Pini)

PAM4 empaqueta dos bits de datos en cada ciclo de reloj utilizando cuatro niveles codificados como 00, 01, 10 u 11. Esto duplica la velocidad de datos para una velocidad de reloj fija, pero disminuye la SNR debido a las menores variaciones de amplitud entre los estados de los datos. La señalización PAM4, por tanto, requiere un mayor nivel de integridad de la señal.

Caracterización del rendimiento de las líneas de transmisión

Tanto si se trata de circuitos impresos como de cables, el rendimiento de las líneas de transmisión suele caracterizarse en el dominio de la frecuencia mediante parámetros de dispersión (parámetros s). Los parámetros S describen las propiedades de un dispositivo basándose en el comportamiento eléctrico observado en las entradas y salidas sin conocer los componentes específicos de su interior. Para describir dispositivos de dos puertos, como los cables, se utilizan varios coeficientes de calidad basados en parámetros S medidos. Los FoM más utilizados son:

• Pérdida de inserción: Atenuación experimentada por una señal que se propaga desde la entrada hasta la salida de un cable, expresada en decibelios (dB) (una línea de transmisión ideal tiene una pérdida de inserción de 0 dB).
• Pérdida de retorno: La pérdida (en dB) debida a las reflexiones de la señal resultantes de un desajuste de impedancia en la salida.
• Diafonía: Medida (en dB) de las señales no deseadas acopladas en la línea de transmisión debido al cableado adyacente.

Otros FoM de interés son el retardo de propagación de la línea de transmisión y la desviación temporal. El retardo de propagación es el tiempo que tarda una señal en propagarse por una línea de transmisión. La desviación temporal es la diferencia de tiempo entre las señales de dos o más líneas de transmisión.

Opciones de líneas de transmisión

Resulta difícil cumplir de forma rentable los requisitos FoM de las configuraciones de alta frecuencia y múltiples carriles de los modernos estándares de comunicaciones de datos utilizando los métodos tradicionales de diseño de sustratos de placas de PC. Para solucionarlo, Samtec, Inc. ha desarrollado arneses de cables de alta velocidad que utilizan sus cables micro coaxiales y twinax Eye Speed patentados, que destacan por sus bajas pérdidas y su excelente integridad de la señal. Estos cables, incorporados a arneses de cables de varios carriles, ofrecen un rendimiento superior gracias a su construcción única (Figura 2).

Figura 2: Se muestra una vista detallada de la construcción de los cables micro coaxiales (izquierda) y twinax (derecha) Eye Speed, que destacan por su baja pérdida y alta integridad de la señal. (Fuente de la imagen: Samtec)

Los cables coaxiales Eye Speed están disponibles con conductores de calibre americano (AWG) 26 a 28 trenzados en el centro. Esta construcción del cable coaxial proporciona una gran flexibilidad, un peso ligero y un tamaño reducido, lo que es especialmente importante en tramos largos.

El dieléctrico está formado por una extrusión sólida de etileno-propileno fluorado (FEP) espumado con aire y de baja constante dieléctrica. La espuma crea intrusiones de aire, lo que da lugar a una alta velocidad de la señal. Esta familia de cables permite elegir entre blindajes metálicos, de cinta o trenzados para mejorar la integridad de la señal.

La construcción del cable twinax Eye Speed utiliza conductores de cobre plateado de 28 a 36 AWG. Los tamaños de cable más grandes proporcionan menores pérdidas de inserción, mientras que los cables más pequeños ofrecen mayor flexibilidad. La coextrusión del dieléctrico mejora la integridad de la señal y el ancho de banda, lo que permite velocidades de 28 a 112 Gbps. El diseño compacto permite un acoplamiento estrecho entre los conductores de señal y una menor separación para un paso más pequeño dentro del ensamble de cables. La pérdida de inserción para 0,25 metros (m) de Eye Speed twinax para datos sincronizados a 14 gigahercios (GHz) (56 Gbps PAM4) oscila entre -1 y -2,2 dB, en función del diámetro del cable. La desviación temporal entre conductores en el cable twinax es inferior a 3.5 picosegundos (ps) por medidor. Ambos tipos de cable admiten la tecnología Flyover de Samtec.

¿Qué es la tecnología Flyover?

La tecnología Flyover de Samtec utiliza el gran ancho de banda y las bajas pérdidas de los arneses de cables Eye Speed para sustituir las estructuras de bus integradas, reduciendo significativamente las pérdidas (Figura 3).

Figura 3: La tecnología Flyover utiliza cables Eye Speed para ofrecer pérdidas significativamente reducidas y velocidades de reloj de 14 GHz y 28 GHz en comparación con materiales de panel posterior de bajas pérdidas o pérdidas ultrabajas. (Fuente de la imagen: Samtec)

Al requerir menos capas de placa, la tecnología Flyover simplifica la disposición de las placas para velocidades de datos superiores a 28 Gbps. También permite utilizar materiales de placa de PC menos costosos.

Arneses de cables Samtec

Existe un amplio rango de/una amplia gama de opciones de arneses de cables micro coaxiales y twinax Eye Speed. Están disponibles en matrices de alta densidad y ofrecen características como planos de tierra integrales, conectores hermafroditas, aliviadores de tensión y diversas opciones de conexión y enclavamiento.

Por ejemplo, el ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 es un delgado ensamble de cables de conexión directa de enchufe a enchufe con 16 pares de señales que mide 6 pulgadas (in). (152,4 milímetros (mm)) de longitud y admite señalización PAM4 de 64 Gbps (Figura 4).

Figura 4: El ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 es un ensamble de cable de conexión directa con 16 pares de señales diferenciales que admite señalización PAM4 de 64 Gbps. (Fuente de la imagen: Samtec)

Este ensamble consta de 16 cables twinax de muy baja torsión en un diseño de alta densidad y dos filas divididas en 32 contactos con un paso de 0.635 mm (0.025 in). Los contactos se sueldan directamente a los conductores twinax para una integridad óptima de la señal. Los cables son diferenciales de 100 ohm (Ω) y utilizan un cable de 34 AWG y están disponibles en configuraciones de 8 y 24 pares. Tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C.

El ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B es un ensamble de cables de borde de tarjeta a borde de tarjeta que comprende dos filas de veinte cables coaxiales de 50 Ω, de terminación única, con un conector de 40 contactos (Figura 5). La longitud del cable es de 305 mm.

Figura 5: El conjunto de cables ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B utiliza un cable coaxial de un solo extremo con un conductor central de 34 AWG. Los contactos tienen un paso de 0.80 mm (0.0315 pulg.). (Fuente de la imagen: Samtec)

Las líneas coaxiales utilizan conductores centrales de 34 AWG dispuestos como un cable plano. El paso de los conectores es de 0.80 mm (0.0315 pulg.). Estos cables están preparados para manejar señales de 14 Gbps. Los conectores utilizan un mecanismo de bloqueo de pestillo de apriete para garantizar un acoplamiento positivo. Opcionalmente, el ensamble está disponible con 10 a 60 cables por fila con una variedad de mecanismos de enganche. Todos funcionan en un rango de temperatura de -25 °C a +105 °C.

El ensamble de cables HLCD-20-40-00-TR-TR-2 utiliza dos filas de diez cables de 50 Ω de un solo extremo con una longitud de 40 pulgadas (1.02 m). Ofrece cuarenta contactos con un paso de 0.5 mm (Figura 6).

Figura 6: El conjunto de cables HLCD-20-40.00-TR-TR-2 utiliza conectores hermafroditas autoacoplables. (Fuente de la imagen: Samtec)

Los conectores hermafroditas tienen clavijas y tomas que pueden acoplarse con el mismo conector. Se utilizan en aplicaciones en las que no es necesaria la polarización por contacto, como los pares de datos bidireccionales.

La HLCD-20-40.00-TR-TR-2 permite elegir entre un rango de temperatura de funcionamiento estándar o ampliado de -25 °C a +105 °C o de -40 °C a +125 °C, respectivamente.

El ensamble de cables HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B utiliza filas dobles de cables twinax de 100 Ω y 30 AWG. Mide 305 mm (12 pulgadas) de largo, tiene 20 cables, utiliza un conector de clavija a clavija de tarjeta y está preparado para funcionar a 14 Gbps (Figura 7).

Figura 7: El ensamble HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B tiene un conector de clavija a borde de tarjeta con filas duales de cable twinax de 100 Ω. (Fuente de la imagen: Samtec)

Esta familia ofrece opciones de 20, 40 o 60 cables y una variedad de conectores de montaje en superficie y en el borde, y tienen un paso de conector de 0.5 mm (0.020 in).

Conclusión:

Las mayores velocidades de datos siguen empujando a los diseñadores a buscar formas innovadoras de garantizar la integridad de la señal. Trabajar con Samtec les permite superar las limitaciones de los clásicos buses de señalización de placa a placa de PC de varios carriles y beneficiarse de un amplio rango de/una amplia gama de arneses de cables de alto rendimiento, flexibles y rentables que cumplen o superan las especificaciones de las aplicaciones de comunicación actuales.