Urządzenia elektroniczne stale się kurczą, a szybkości transmisji danych stale rosną. Projektanci, aby zachować zgodność z tym trendem, muszą mieć możliwość zintegrowania większej liczby obwodów na mniejszej przestrzeni przy jednoczesnym zachowaniu szybkości transmisji danych, niezawodności i integralności sygnału. Projektanci muszą także zająć się kwestiami chłodzenia powietrzem i izolacji fizycznej, aby w jak największym stopniu zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).
Układanie płytek drukowanych (PC) jest powszechną metodą zwiększania gęstości obwodów. Stosując płytki córki i płyty córki typu sandwicz, można uzyskać więcej miejsca na płytce drukowanej, konstruując jednocześnie ścieżki chłodzenia i izolacji sygnału.
W tym artykule pokrótce omówiono różne wyzwania stojące przed projektantami obwodów dużych prędkości. Następnie zapoznaj płytkę Würth Elektronik ze złączami na płytce i wyjaśnij, jak używać tych złączy, aby uzyskać niezawodne połączenia sygnałowe przy jednoczesnym zachowaniu integralności sygnału.
Panel kanapkowy
Układ płyty warstwowej składa się z dwóch równoległych płytek drukowanych ułożonych pionowo, które są połączone elektrycznie za pomocą złączy między płytkami (rysunek 1 po lewej).
Płytki drukowane z wieloma kolumnami, montowane warstwowo
Rysunek 1: Obraz po lewej stronie przedstawia przykłady płytek drukowanych (PCB) montowanych warstwowo; Rysunek po prawej stronie przedstawia sposób instalacji płyty pomocniczej, którą można zainstalować za pomocą złączy, montażu powierzchniowego lub gwintowanych kolumn izolacyjnych. (Źródło zdjęcia: W ü rth Elektronik)
Taki układ płytka do płytki składający się z dwóch płytek drukowanych zapewnia większą przestrzeń fizyczną w obwodzie. Strukturę tę można wykorzystać do poprawy wydajności objętościowej, osiągnięcia wymienności lub utworzenia fizycznej izolacji w celu poprawy przepływu powietrza i zmniejszenia zakłóceń elektromagnetycznych. Złącza typu płytka-płytka są bezpośrednio podłączone do płytki drukowanej bez użycia kabli. Łącznik płyt warstwowych umożliwia osiągnięcie wielu wysokości układania w stosy przy określonym rozstawie płyt. Górną płytkę drukowaną można podeprzeć i zamocować za pomocą złączy lub zamocować za pomocą montażu powierzchniowego lub gwintowanych kolumn izolacyjnych w celu zwiększenia odporności na wibracje i uderzenia (rysunek 1 po prawej).
Czynniki brane pod uwagę dla integralności sygnału
Integralność sygnału opisuje, w jaki sposób sygnały są zniekształcane lub tłumione podczas przesyłania z jednej płytki drukowanej na drugą przez złącza. Niektóre z tych efektów, takie jak rezystancja styku, są niezależne od częstotliwości i można je łatwo uwzględnić w obliczeniach i skorygować.
Jednakże dwa kluczowe parametry integralności sygnału związane z częstotliwością to współczynnik odbicia (ρ) i współczynnik transmisji (t) (rysunek 2). Współczynnik transmisji jest zwykle wyrażany w decybelach (dB) przy użyciu tłumienia wtrąceniowego. Współczynnik odbicia (strata odbiciowa) jest spowodowany odbiciem sygnałów danych z powrotem do źródła sygnału przy napotkaniu skoków wartości impedancji. Tłumienie wtrąceniowe służy do ilościowego określenia tłumienia ścieżki transmisji. Obydwa zależą od impedancji złącza (ZCAB) w stosunku do impedancji linii płytki drukowanej (Zs).
Zarówno tłumienie odbicia, jak i tłumienie wtrąceniowe zależą od impedancji złącza
Rysunek 2: Tłumienie odbicia i tłumienie wtrąceniowe zależą od impedancji złącza w stosunku do impedancji linii płytki drukowanej. (Źródło zdjęcia: W ü rth Elektronik)
Strata transmisji zmniejszy amplitudę sygnału przechodzącego przez złącze i jest proporcjonalna do długości ścieżki i struktury geometrycznej złącza. Przesłuch bliskiego końca (NEXT) lub przesłuch dalekiego końca (FEXT) może również powodować pewne straty energii. Strata odbiciowa i współczynnik transmisji to parametry zależne od częstotliwości, które zależą od różnicy między impedancją złącza (symulowaną jako kabel) a impedancją linii transmisyjnej płytki drukowanej (zakładaną w tym przykładzie na 50 Ω). Współczynnik odbicia i współczynnik transmisji są określone za pomocą pokazanych wzorów.
Na rysunku 2 przedstawiono zmianę tych parametrów w zależności od impedancji złącza (kabla). Jeżeli impedancja złącza wynosi 50 Ω, teoretyczna strata odbiciowa wynosi zero, a współczynnik transmisji wynosi 100%, co oznacza brak strat. Jeżeli impedancja złącza odbiega od 50 Ω, zmiany odpowiednich parametrów będą proporcjonalne do wartości odchyłki i częstotliwości impedancji złącza od 50 Ω. W złączach impedancja zależy od użytego materiału izolacyjnego i struktury geometrycznej pinów, w tym szerokości, długości i odległości (odstępów). Ponadto wpływ na to może mieć również okablowanie sąsiednich pinów.
Istnieją dwie popularne konfiguracje okablowania do transmisji danych z dużą szybkością (rysunek 3): jedna to konstrukcja z pojedynczym zakończeniem, w której sygnał danych jest odniesiony do masy; Innym typem jest struktura różnicowa, która wykorzystuje dwie uzupełniające się linie sygnałowe, a amplituda sygnału danych jest różnicą napięcia między dwiema liniami sygnałowymi. Sygnały różnicowe służą do redukcji szumów i zakłóceń na podwójnych liniach sygnałowych. Ogólnie rzecz biorąc, sygnały różnicowe są używane w aplikacjach o najwyższych szybkościach transmisji danych. Sygnały danych są zwykle parowane z jednym lub większą liczbą sygnałów naziemnych, aby zmniejszyć przechwytywanie szumów.