虎家白皮書(shū)系列 | Samtec Flyover?電纜系統(tǒng) 上篇

摘要/前言

Samtec Flyover?電纜系統(tǒng)旨在將信號(hào)從印刷電路板（PCB）上移出，以改善信號(hào)完整性，提升設(shè)計(jì)靈活性，并優(yōu)化散熱性能。這些產(chǎn)品通過(guò)低損耗、低skew的雙同軸電纜傳輸高速信號(hào)。它們的工作距離可長(zhǎng)達(dá)數(shù)英尺，同時(shí)無(wú)需使用外部時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）或重定時(shí)器（Retimer）。

——白皮書(shū)概要

本白皮書(shū)包含了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和示例，解釋了為什么在高速設(shè)計(jì)中，電纜解決方案可能更好。它還解決了諸如電纜管理和成本等方面的問(wèn)題。

——作者簡(jiǎn)介

本文作者是Anthony Fellbaum，作為 Samtec 高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師兼業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理， 他致力于為客戶提供技術(shù)咨詢和合作，以幫助他們確定最適合其獨(dú)特應(yīng)用場(chǎng)景的互連解決方案。他在背板、高速測(cè)試設(shè)備、射頻多路復(fù)用器和可編程邏輯器件等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，涵蓋了電信、航天、智能手機(jī)和ODM行業(yè)，使他成為了業(yè)內(nèi)資深的技術(shù)專(zhuān)家。Anthony 擁有湖首大學(xué)的電氣工程學(xué)位，并是安大略省專(zhuān)業(yè)工程師協(xié)會(huì)的成員。

本次，我們將分為上中下三期，為大家?guī)?lái)完整版白皮書(shū)，并在最后一期提供完整漢化版的下載鏈接。

電纜提供更佳性能

典型 PCB 材料的插入損耗（IL）與頻率的關(guān)系是眾所周知的。相比之下，Samtec Flyover?電纜的損耗明顯低于任何 PCB 級(jí)別材料。圖 1 比較了三種典型PCB 材料和兩種美國(guó)線規(guī)（AWG的 Samtec Flyover?電纜（30 AWG 和 34 AWG）的插入損耗幅度（以 dB 為單位）。為了更容易進(jìn)行比較，圖中顯示的是 10 英寸長(zhǎng)度的對(duì)比。

圖1：與典型的PCB材料相?，50GHz范圍內(nèi)的10英? Samtec Flyover?電纜的差分插?損耗（藍(lán)?和綠?曲線）。溫度圖中包含0-60%的相對(duì)濕度。

在圖 1 中，對(duì)于典型的以 14 GHz 奈奎斯特頻率運(yùn)行的高速信號(hào)，傳統(tǒng)的 PCB 材料（如黃色所示）損耗很大。因此，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇更高級(jí)別的材料（如圖中淺粉色和深粉色所示），其損耗特性明顯更好（請(qǐng)注意，溫度變化也會(huì)顯著降低損耗性能）。然而，即使是最好的 PCB 性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 Samtec 低skew高速雙同軸電纜（圖 1 中的綠色 30 線規(guī)，藍(lán)色 34 線規(guī)）。

在 Samtec Flyover? 系統(tǒng)中，30 AWG 電纜在 28 Gbps PAM4/14 GHz 奈奎斯特下的插入損耗為?1.2 dB，在 56 Gbps PAM4/28 GHz 奈奎斯特下的插入損耗為-1.4 dB。Samtec 34 AWG 電纜在 28 Gbps PAM4/14 GHz 奈奎斯特下的插入損耗為-0.8 dB，在 56 Gbps PAM4/28 GHz 奈奎斯特下的插入損耗為?-1.4 dB。

我們還需注意這些材料在溫度和相對(duì)濕度下的穩(wěn)定性（溫度圖中包含了 20-80%的相對(duì)濕度）。如上圖所示，PCB 材料的損耗性能隨著溫度的變化而顯著下降。而 Samtec Eye Speed?雙同軸電纜由于電纜中使用的電介質(zhì)具有很低的吸濕性能，因此性能非常穩(wěn)定。

上述圖表僅比較了 PCB 走線與電纜導(dǎo)體。為了建立電纜系統(tǒng)，需要使用連接器。為了全面反映電纜解決方案的損耗情況，圖 2 顯示了帶有添加連接器的插入損耗。該圖描述了Samtec 長(zhǎng)度為 0.25 米的 NovaRay? Flyover?系統(tǒng)的測(cè)量插入損耗性能。您可以注意到互連部分的附加損耗，其中包括連接器的占位和分線區(qū)域設(shè)計(jì)。測(cè)試電纜和走線的去嵌入范圍延伸至連接器基底面的約 2 毫米處。

圖 2：0.25 米長(zhǎng)度的 Samtec NovaRay Flyover?系統(tǒng)性能圖顯示出色

為什么電纜比PCB性能更好呢？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電纜相較于 PCB 傳輸線提供更好的信號(hào)完整性；具體來(lái)說(shuō)，這意味著在給定應(yīng)用中，F(xiàn)lyover?電纜的損耗特性比 PCB 傳輸線更好。這種性能的提高主要?dú)w因于兩個(gè)因素：所使用的絕緣（電介質(zhì)）材料以及導(dǎo)體的電氣性能。

Samtec Eye-Speed?雙同軸電纜中銅周?chē)慕^緣材料比用于支撐 PCB 傳輸線的編織材料具有明顯更低的相對(duì)介電常數(shù)（導(dǎo)致電氣路徑更短），并且損耗因子也低得多，降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)（見(jiàn)圖 3）。PCB 采用類(lèi)似于玻璃纖維的高端織物制造，具有出色的電氣性能，但其整體電介質(zhì)特性不如 Eye Speed? 30 歐姆雙同軸電纜中使用的含氟聚合物。

與介電常數(shù)（Dk）約為 3 的高端 PCB 材料（例如 Megatron）相比，含氟聚合物的介電常數(shù)較低，為 2。Samtec 采用專(zhuān)有的含氟聚合物，具有非常低的 Dk 和損耗角正切，與使用類(lèi)似材料的電纜相比，具有更好的損耗性能。Samtec 不斷在其電纜產(chǎn)品中推進(jìn)電介質(zhì)材料和性能的最新技術(shù)，比如其 Eye Speed?超低skew雙同軸產(chǎn)品。

圖 3：Samtec Eye Speed?共擠雙同軸電纜消除了單獨(dú)擠壓的電介質(zhì)雙同軸電纜的性能限制和不一致性，提高了信號(hào)完整性、帶寬和高性能系統(tǒng)架構(gòu)的覆蓋范圍。

Samtec 的超低skew雙同軸電纜比 PCB 傳輸線具有更好的損耗特性的另一個(gè)原因是導(dǎo)體的尺寸。典型的高速走線，根據(jù)走線寬度，其橫截面積約為 20 mil2（在本例中，每個(gè)導(dǎo)體寬度為 10 mil，高度為 2.5 mil），但?Samtec 最受歡迎的 30 AWG 雙同軸規(guī)格電纜的橫截面積約為 100 mil2（每個(gè)導(dǎo)體直徑為 0.010 英寸）。

這幾乎是高速走線相對(duì)橫截面積的?8 倍，結(jié)果是同等長(zhǎng)度的導(dǎo)體中?Samtec Flyover?電纜的插入損耗顯著降低?？紤]到趨膚效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高速信號(hào)使用導(dǎo)體的外周，隨著頻率的升高，導(dǎo)體尺寸變得更加重要。

此外，Samtec 高速電纜使用銀鍍層，其導(dǎo)電性能顯著優(yōu)于銅，從而在高頻下實(shí)現(xiàn)更低的插入損耗。電纜導(dǎo)體采用壓延銅，與蝕刻PCB走線相比，表面粗糙度要低得多。所有這些因素在高頻傳輸中都起著重要作用。

對(duì)于PCB材料而言，除了材料固有的電氣特性外，電介質(zhì)的編織結(jié)構(gòu)也會(huì)影響數(shù)據(jù)速率低的信號(hào)，因?yàn)榫幙棔?huì)形成微米級(jí)信號(hào)。這被稱為纖維編織skew。隨著數(shù)據(jù)速率和/或頻率的增加，纖維編織skew的影響將更大。

為了提高信號(hào)完整性并避免纖維編織skew的影響，PCB制造商不斷創(chuàng)造出編織更緊密的新型高端材料。但設(shè)計(jì)人員仍必須關(guān)注其走線角度，并盡可能地補(bǔ)償幾何限制。

相比之下，Samtec Flyover?電纜采用擠塑工藝制造，因此銅周?chē)碾娊橘|(zhì)是均勻的材 料，沒(méi)有編織或紋理（見(jiàn)圖 4）。這會(huì)在導(dǎo)體周?chē)纬删鶆虻牟牧希员３中盘?hào)的完整性。例如，使用 Samtec Eye Speed? 電纜，線對(duì)內(nèi)偏移<0.5 ps（以米為單位測(cè)量）。

圖 4：Samtec 專(zhuān)有的 Eye Speed?共擠雙同軸電纜技術(shù)消除了單獨(dú)擠壓的電介質(zhì)雙同軸電纜的性能限制和不一致性， 提高了信號(hào)完整性、帶寬和高性能系統(tǒng)架構(gòu)的覆蓋范圍。

所以為什么電纜比PCB更好呢？更好的電介質(zhì)、共擠技術(shù)，以及更大、鍍銀、表面粗糙度較低的導(dǎo)體的組合，使得Samtec的超低skew雙同軸電纜中的高速信號(hào)損耗性能明顯優(yōu)于 PCB 走線。

小 結(jié)

本文為系列第一期，引出了對(duì)于電纜的深度思考，在后續(xù)兩篇中，我們將討論電纜如何降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、電纜如何改善熱管理、如何利用Flyover?優(yōu)化設(shè)計(jì)等實(shí)踐話題，并提供完整版的下載渠道。