使用合適的電纜組件確保高速數(shù)據(jù)通信中的信號完整性

作者：Art Pini

電子系統(tǒng)架構(gòu)需要更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和更高級別的調(diào)制方案，而且外形要更加緊湊。這就使印刷電路板（PC 板）的布局變得復(fù)雜，因為設(shè)計人員要盡量減少傳輸線路損耗，降低對噪聲、反射和串?dāng)_的敏感性，以保持信號完整性并滿足最大誤碼率 (BER) 要求。此外，IC 之間或板對板連接器之間的電氣或光學(xué)多通道信號也要求盡量減少信號扭曲，尤其是差分信號對中。

滿足這些需求的一種方法是使用高速電纜組件，而不是僅僅依靠印刷電路板跡線，這樣就可以使用標(biāo)準電路板基板，從而避免更高的成本。這些組件采用單端和差分配置、先進材料，以及可提供出色信號完整性的技術(shù)，并支持在銅線或光纖中實現(xiàn)高密度的多通道信號路徑。有些實施方案的工作速率高達 64 Gbps。

本文將討論推動更高速度需求的因素，以及如何滿足這種需求。然后介紹 [Samtec] 的高速電纜組件，并說明了其性能和用途。

對速度的需求

世界渴望更快的通信速度。5G 和 6G 蜂窩、人工智能 (AI)、量子計算和“大數(shù)據(jù)”等應(yīng)用推動了新系統(tǒng)架構(gòu)的出現(xiàn)，要求更高的帶寬和更快的傳輸速率，同時還要縮小設(shè)備和系統(tǒng)的尺寸。這些不斷發(fā)展的技術(shù)不僅要求互連器件提供更高的信號完整性，而且還要求能夠在存在噪聲、串?dāng)_、反射、電磁干擾以及其他損耗和干擾源的情況下維持高信噪比 (SNR)。

更高的速度要求改變連接技術(shù)。首先，單端信號傳輸正在被差分信號連接取代，前者的數(shù)據(jù)由指向返回路徑（通常稱為“接地”）的單根導(dǎo)線傳輸，而后者則是通過兩根導(dǎo)線傳輸 180? 相位差的數(shù)據(jù)信號。差分信號通過抑制兩個導(dǎo)體共有的噪聲（共模噪聲）來提高信噪比。其次，數(shù)據(jù)編碼正在從每個時鐘周期單比特、非歸零 (NRZ) 編碼向每個時鐘周期多比特編碼轉(zhuǎn)變，例如四電平脈沖幅度調(diào)制 (PAM4)，它可在每個時鐘周期編碼四個不同的電平或兩個比特（圖 1）。

圖 1：NRZ 數(shù)據(jù)的眼圖（右）在每個時鐘周期有兩種可能的狀態(tài)：1 或 0；PAM4（左）在每個時鐘周期有四種可能的狀態(tài)：00、01、10 和 11。（圖片來源：Art Pini）

PAM4 使用編碼為 00、01、10 或 11 的四個電平將兩比特的數(shù)據(jù)打包至每個時鐘周期。這使固定時鐘速率下的數(shù)據(jù)傳輸速率提高了一倍，但由于數(shù)據(jù)狀態(tài)之間的幅度變化較小而降低了信噪比。因此，PAM4 信號傳輸需要更高級別的信號完整性。

傳輸線路性能表征

無論是印刷電路還是電纜，傳輸線路性能通常都是在頻域中通過散射參數(shù)（S 參數(shù)）來表征。S 參數(shù)根據(jù)在輸入端和輸出端觀察到的電氣行為來描述設(shè)備的特性，無需了解設(shè)備內(nèi)部的具體元器件。有多種基于測得的 S 參數(shù)的品質(zhì)因數(shù) (FoM) 用于描述電纜等雙端口設(shè)備。使用最多的 FoM 是：

• 插入損耗： 信號從電纜的輸入端傳播到輸出端所經(jīng)歷的衰減，以分貝 (dB) 表示（理想傳輸線路的插入損耗為 0 dB）
• 回波損耗： 因輸出端阻抗不匹配導(dǎo)致信號反射而產(chǎn)生的損耗（單位為 dB）
• 串?dāng)_： 用于衡量因相鄰線路而耦合到傳輸線路中的無用信號（單位為 dB）

其他值得關(guān)注的 FoM 包括傳輸線路的傳播延遲和時間偏移。傳播延遲是指信號在傳輸線路中傳播的時間延遲。時間偏移是指兩條或更多傳輸線路上的信號之間的時間差。

傳輸線路選件

使用傳統(tǒng)印刷電路板基板設(shè)計方法，難以經(jīng)濟高效地滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信標(biāo)準對高頻多通道配置的 FoM 要求。為了解決這一問題，Samtec Inc. 利用其專有的 Eye Speed 微型同軸電纜和雙軸電纜開發(fā)了高速電纜組件，這些電纜以其低損耗和出色的信號完整性而著稱。它們集成到多通道電纜組件中，因其獨特的結(jié)構(gòu)而提供卓越的性能（圖 2）。

圖 2：Eye Speed 微型同軸電纜（左）和雙軸電纜（右）的詳細結(jié)構(gòu)，這些電纜以其低損耗和高信號完整性而著稱。（圖片來源：Samtec）

Eye Speed 同軸電纜采用 26 至 28 美國線規(guī) (AWG) 中心絞合導(dǎo)體。這種同軸電纜結(jié)構(gòu)具有柔韌性高、重量輕和體積小的特點，這對于較長的線路尤為重要。

電介質(zhì)由低介電常數(shù)、空氣發(fā)泡的氟化乙丙烯橡膠 (FEP) 固態(tài)擠出而成。發(fā)泡會導(dǎo)致空氣侵入，從而提高信號速度。該電纜系列提供金屬包覆屏蔽層、膠帶屏蔽層或編織屏蔽層選擇，以提高信號完整性。

Eye Speed 雙軸電纜結(jié)構(gòu)采用 28 至 36 AWG 鍍銀銅導(dǎo)體。導(dǎo)線尺寸越大，插入損耗就越低，尺寸越小，柔韌性就越高。共擠出電介質(zhì)可提高信號完整性和帶寬，實現(xiàn) 28 至 112 Gbps 的傳輸速率。緊湊型設(shè)計使信號導(dǎo)體之間的耦合更緊密并使間隙更小，從而減小電纜組件內(nèi)的間距。對于時鐘頻率為 14 GHz 的數(shù)據(jù) (56 Gbps PAM4)，0.25 m Eye Speed 雙軸電纜的插入損耗介于 -1 到 -2.2 dB 之間，具體取決于導(dǎo)線直徑。雙軸電纜導(dǎo)體之間的時間偏移小于 3.5 ps/m。這兩種電纜都支持 Samtec 的 Flyover 技術(shù)。

什么是 Flyover 技術(shù)？

Samtec 的 Flyover 技術(shù)使用高帶寬和低損耗的 Eye Speed 電纜組件取代板載總線結(jié)構(gòu)，能夠大幅降低損耗（圖 3）。

圖 3：與低損耗或超低損耗背板材料相比，F(xiàn)lyover 技術(shù)使用 Eye Speed 電纜，不僅能大幅降低損耗，而且還能實現(xiàn) 14 GHz 和 28 GHz 的時鐘速率。（圖片來源：Samtec）

通過減少電路板層數(shù)，F(xiàn)lyover 技術(shù)簡化了數(shù)據(jù)速率超過 28 Gbps 的電路板布局。此外，該技術(shù)還允許使用價格更低的印刷電路板材料。

Samtec 電纜組件

有多種 Eye Speed 微型同軸電纜和雙軸電纜組件可供選擇。這些電纜以高密度陣列的形式提供，并具有完整接地平面、無極性連接器、應(yīng)力消除，以及各種連接和閉鎖選件等特性。

例如，[ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1] 是一種細長的插頭對插頭直連電纜組件，有 16 個152.4 mm 長的信號對，支持 64 Gbps PAM4 信號傳輸（圖 4）。

圖 4：ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 是一種直連電纜組件，具有 16 個差分信號對，支持 64 Gbps PAM4 信號傳輸。（圖片來源：Samtec）

該組件包括 16 根超低偏斜雙軸電纜，這些電纜采用高密度雙排設(shè)計，具有 32 個間距為 0.635 mm 的觸點。觸點直接焊接在雙軸導(dǎo)體上，可實現(xiàn)最佳的信號完整性。電纜為 100 Ω 差分電纜，采用 34 AWG 導(dǎo)線，有 8 對和 24 對兩種配置。其工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

[ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B]是一種卡邊對卡邊電纜組件，由兩排 20 根單端 50 Ω 同軸電纜和一個 40 觸點連接器組成（圖 5）。該電纜長度為 305 mm。

圖 5：ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B 電纜組件采用單端同軸電纜和 34 AWG 中心導(dǎo)體。觸點間距為 0.80 mm。（圖片來源：Samtec）

同軸線采用布置成帶狀電纜的 34 AWG 中心導(dǎo)體。連接器間距為 0.80 mm。這些電纜設(shè)計用于處理 14 Gbps 信號。連接器采用擠壓閂鎖機構(gòu)，可確保配接牢固。該組件還可選擇每排 10 至 60 根電纜，以及各種閉鎖機構(gòu)。其工作溫度范圍均為 -25°C 至 +105°C。

[HLCD-20-40-00-TR-TR-2] 電纜組件采用兩排 10 根 50 Ω 單端電纜，電纜長度為 1.02 m。具有四十個觸點，觸點間距為 0.5 mm（圖 6）。

圖 6：HLCD-20-40.00-TR-TR-2 電纜組件采用自配接無極性連接器。（圖片來源：Samtec）

無極性連接器的插針和插口可與相同的連接器配接在一起。用于不需要觸點極化的應(yīng)用場合，例如雙向數(shù)據(jù)對。

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 提供標(biāo)準或擴展工作溫度范圍選擇，分別為 -25°C 至 +105°C 或 -40°C 至 +125°C。

[HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B] 電纜組件采用雙排 100 Ω 30 AWG 雙軸電纜。該組件長 305 mm，有 20 根電纜，使用插頭對卡邊連接器，額定傳輸速率為 14 Gbps（圖 7）。

圖 7：HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B 組件由一個插頭對卡邊連接器和雙排 100 Ω 雙軸電纜組成。（圖片來源：Samtec）

該系列可選擇 20、40 或 60 根電纜以及各種表面和邊緣安裝連接器，連接器間距為 0.5 mm。

總結(jié)

更高的數(shù)據(jù)傳輸速率需求促使設(shè)計人員不斷尋求創(chuàng)新方法來確保信號完整性。與 Samtec 合作可使設(shè)計人員突破傳統(tǒng)多通道印刷電路板信號總線的限制，利用各種高性能、高性價比的柔性電纜組件，滿足甚至超出當(dāng)今通信應(yīng)用的規(guī)格要求。

審核編輯 黃宇