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一种符合G比特信号要求的高速高密度连接器

    作者:宏拓新软件
    发布日期:2022-07-11         
阅读:10     
 
 

摘 要:目前,夹层连接器面临着高数据传输速度的电讯和数据通信系统的严重挑战,开发一种高速、高密度的并行板式连接器解决方案已经迫在眉睫。

关键词: 夹层连接器;数据信号;传输速度;信号的完整性

1 引言

目前,印刷电路板上的数字信号的传输速度早已达到5Gbit/s的水平,今后几年其数字信号传输速度可望进一步扩大到10Gbit/s。这种发展趋势将会驱动背板和夹层连接器的市场需求,以满足该系统信号完整性的要求。

带宽的大幅增大已经影响了连接器容量、串扰、阻抗、电感和反射等方面的性能。 一些工业标准在高速通道或信道上具有相应的总线结构,其速度达到 2.5~3.187 G bits/条。这包括10G以太网( IEEE 802.3 ak- CX4)、InfiniBand、10 G光纤信道、串联 SCSI(SAS)和串联ATA2(SATA-2)。结果,这些系统不仅需要符合更高规格要求的连接器,而且需要满足其高密度的要求。

于是,一些高速背板连接器便应运而生了。通讯和数据通信市场是驱动更高速度连接器的动力之源,特别是背板、板-到-板和输入/输出型高速连接器。设计这些连接器可以解决信号带宽、信号损失和电缆管理方面所出现的一些问题。为了适应高速应用领域的技术需要,设计人员需要考虑许多特殊要求, 尤其是接地区域、接触件格栅和屏蔽层。

这种巨大挑战主要来自接地系统。连接器中的接地面以及信号引脚相对于接地面的特别位置可以控制住较高的频率。与高速、高密度趋势并行不悖的是连接器的小型化发展趋势。这在一些消费类和通信应用领域中起着十分重要的作用。

在新的数字系统中,数据必须以数千兆位的速度进行传输。 因此,设计人员只有把连接器视为系统传输线路的一部份, 而且要考虑到其阻抗、增殖延迟、扰曲串扰等问题。背板已经变为每套系统元件之间互连的核心。连接到背板的夹层连接器和电缆互联器件是使系统能够以数千兆位进行传输的基础结构,见图1所示。因此,设计人员在初步设计过程中也应该考虑到背板和夹层连接器的设计要求。

图1 夹层连接器允许不同电路板以一种板到板方式共享高速信号

在高速传输系统中,差分信号传输方式将逐渐取代单端信号传输方式。这表明,该信号可以代表一对专用线路之间的一种电压差。因此,差分信号需要为各条信号提供两条独立的线路。但是,它可以更为有效地隔绝噪音(串扰和电磁干扰),而且可以在较低的信号电压条件下正常运行。

几个G比特背板和夹层连接器必须小心翼翼地控制整个连接器信号通道的阻抗。因为特性阻抗与连接器的几何外形和材料具有一定的函数关系,其中,每个变量都可以改变阻抗,而且可以产生信号反射。导体间隙和整体接地屏蔽对目标阻抗的影响很大, 在单端传输模式中,信号-接地之间的典型阻抗为50Ω,差分应用领域信号-接地之间的典型阻抗一般为100Ω。

2 两条信号传输通路

为了控制阻抗,减少串扰,改善差分对之间的耦合性能,高速传输连接器已经进入全屏蔽保护结构时代,其性能相当于一条双轴线缆。差分对信号必须同时到达其传输的目的地,因此,在连接器中的传导路径长度上必须精心设计,以便将差分对的长度差和产生的信号扭曲降到最低程度。穿孔电镀的容量也是产生噪音和反射的一个重要来源。因此,采用表面安装技术(SMT)或穿孔回流焊接端子的连接器可以提供最佳的信号完整性。

可以采用背板、高速夹层连接器以及高性能的电缆组件以达到10 Gbit/s的传输速度。一个典型的例子就是采用专用的高速差分信号传输, 它可以广泛地应用于各种应用领域,包括 Advanced TCA 规范。“L”形整体屏蔽可以提供必要的机械牢固性和差分对之间的绝缘性能,这样信号在通过连接器之后能够达到更好的完整性。该连接器已经在高达10 Gbit/s的线路传输中得到实践的检验和测试。这种连接器有两种商用供应来源,其中一家供应商可以根据设计提供一种电缆连接器。这样就可以在2.5 Gbit/s~ 10 Gbit/s的高速差分传输应用中通过较细的电缆保证数据能够安全、可靠地进行传输,并保证信号在传输过程中同样具有很高的完整性。

3 夹层设计要求

正如背板连接器及相关的电缆组件可以确保板到背板以及板道外围设备的高速连接,夹层连接器是一种高密度、节约空间的叠层连接器,采用这种连接器可以实现PCB的并联。它们可以用来将高针数连接器件置放于夹层卡上,这样在不影响系统性能的前提条件下可以简化电路板的线路选择。

目前,市场上已经相继出现了几种通行的夹层标准如 CMC、PMC和VIM以支持其构造的多样化和板基系统设计人员所要求的性能。ANSI-VITA 32 处理器PMC(PrPMC)标准进一步扩展了 CMC/ PMC(PCI夹层卡)的功能特性。而扩展型目前正由VITA组织按照VITA 42 x XMC 标准草案积极进行开发。PICMG也在开发一种新的PICMG AMC.x Advanced MC系列的夹层规范标准,其目标就是Advanced TCA 应用。这些新的夹层标准主要目标瞄准高速、高带宽输入/输出信号的传输。

新型夹层连接器首要技术要求是高速度和高密度。该连接器应该能够支持高达10 Gbit/s的信号传输速度。此外,它还可以处理差分信号和标准单端信号。满足这些要求就需要采用一种专门的接触件设计和结构。为了节约空间,最好是采用一种较薄的外形设计和紧凑的电路设计。为此,一个高密度的新系列并行板连接器可以满足夹层应用中逐渐增大的带宽要求。它处理数据传输速度高达10Gbit/s的单端和差分信号, 而且支持一个外形厚度较小(5mm)的自动封装表面安装(SMT)组件。

3.1 GBS—GNSS卫星故障检测

这一信息用来支持接收器的自激完整性检测(RAIM)。假定一个GNSS接收器正在跟踪数量足够的卫星以完成定位解决方案中定位质量的检查,则需要提供一个相应的信息以报告这一向其它系统输出信息的过程,以便向系统用户提出相应的建议和咨询。GNSS接收器中有了自激完整性检测(RAIM)系统,那么,接收器可以将故障隔离在各个卫星系统中,而不会在位置和速度计算中使用它们。此外,GNSS接收器仍然可以跟踪卫星系统,并且在规定的公差范围内很容易进行判断。

3.2 快速解决方案

采用模块化设计、屏蔽保护的1.0mm 连接器系统包括两个端子组件和两个向外放置的屏蔽板。这种连接器可根据可靠的双光束叶形接触件提供一种闭合入口设计。这类MicroSpeed 连接器专门用于节约空间且板距较小的的板-到-板的电连接,见图2所示。这种MicroSpeed 连接器既适用于差分信号传输也同样适用于单端信号传输。

图2. Microspeed 连接器利用双簧片接触件设计通过ERNI来完成,并可以按照比例缩放以适应公差为 0.7mm的 1.0mm连接器的应用需要

Microspeed 连接器的应用领域包括传输速度高达10 Gbit/s的现代电讯和数据传输系统以及测量、医疗和政府办公应用领域。而且,这一技术的 SMT 版文件可以采用传统的表面安装(SMT)组件和回流焊接工艺自动进行处理。

图3 信号对采用垂直结构(与纵向垂直)可以最大限度地减小串扰损耗

为了达到其额定阻抗,MicroSpeed连接器的纵向间距设计为1.0mm,其横向间距为1.5mm。差分信号对既可以进行水平排列,也可以垂直进行排列,详见图3所示。采用一种垂直(与纵向相交)结构的信号对和信号和接地接触件对排列可以达到最佳的串扰技术特性。从测量数据和10G bit/s的眼图可以看出,在上升时间为100-ps时,其串扰小于2%,其反射系数为小于5%,板厚为1.6mm(FR4,100mm示踪长度)。此外,MicroSpeed连接器具有100%的共面性,其公差为±0.05mm。由于这一公差补偿,在一个板上可以有几种夹层连接器的排列,而不会涉及配合或接触件问题。

图4 焊接测试板用来验证MicroSpeed连接器(测试板的中左部)的预期焊接可靠性

在这一连接器解决方案中,可以达到下列目标阻抗:差分信号为100Ω,单端信号为50 Ω的。如果是采用SMT信号端子,那么,用户可以为接地接触件选择SMT或THR端子。接地接触件还可以保证牢固的连接的应力松弛。连接器模块的长度为27mm,带有50个信号接触件和两个屏蔽板,使它们容易排成一行,而不浪费任何空间。这一设计理念可以在6个步骤中再添加一些插针或拆卸多余的插针。

3.3 焊剂和性能测试

与MicroSpeed连接器一起装配的一些测试板用来检查SMT和THR/PIP接触件的焊接质量。例如,一个带有MicroSpeed连接器其厚度为2.0mm 的电路板一般采用Sn62Pb36Ag2焊剂来进行回流焊接。在一个密闭型夹层系统中采用激光切割的150μm模板。带有SMT和THR端子的两种型号的连接器所产生的焊接结果基本相同。而且,这些连接器还符合欧洲RoHS环保要求。

图5 从传输速度为10Gbit/s时的眼图显示可以看出,即使在这一高速传输时其信号的完整性仍可以得到保持

信号的完整性采用一个网络分析仪用一个专用的试验板,包括200mm的FR4和微波带状线路。对于信号配合对±0.5V(1.0V)来说,其纵向接触件结构在10Gbit/s(其上升时间tr=35ps)条件下所测得的眼图开度为640mV(64%),而其横向相关结果一般为 680mV(68%),详见图5所示。

 

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