การใช้ชุดสายเคเบิลที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณมีความสมบูรณ์ในการสื่อสารข้อมูลความเร็วสูง

สถาปัตยกรรมระบบอิเล็กทรอนิกส์ต้องการอัตราการรับส่งข้อมูลที่เร็วขึ้นด้วยรูปแบบการมอดูเลตระดับที่สูงขึ้นในฟอร์มแฟคเตอร์ที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น ซึ่งทำให้เค้าโครงแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) ซับซ้อนขึ้น เนื่องจากนักออกแบบทำงานเพื่อลดการสูญเสียในสายส่งให้เหลือน้อยที่สุด และลดความไวต่อสัญญาณรบกวน การสะท้อน และสัญญาณแทรกข้าม เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณและตรงตามข้อกำหนดอัตราความผิดพลาดบิต (BER) สูงสุด นอกจากนี้ สัญญาณทางไฟฟ้าหรือออปติคอลหลายเลนระหว่างไอซีหรือระหว่างบอร์ดจำเป็นต้องลดความโน้นมเอียงของสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล

วิธีหนึ่งในการตอบสนองความต้องการเหล่านี้ที่ช่วยให้สามารถใช้บอร์ดมาตรฐานเพื่อหลีกเลี่ยงต้นทุนที่สูงขึ้นคือการใช้ชุดสายเคเบิลความเร็วสูง แทนที่จะอาศัยลายวงจรบนบอร์ดพีซีเพียงอย่างเดียว ส่วนประกอบเหล่านี้ใช้การกำหนดค่าแบบซิงเกิลเอนด์และแบบดิฟเฟอเรนเชียล วัสดุขั้นสูง และเทคนิคที่ให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ดีเยี่ยม และรองรับเส้นทางสัญญาณแบบหลายเลนที่มีความหนาแน่นสูงในทองแดงหรือไฟเบอร์ออปติก การใช้งานบางอย่างมีอัตราการทำงานสูงถึง 64 กิกะบิตต่อวินาที (Gbps)

บทความนี้จะกล่าวถึงสิ่งที่ขับเคลื่อนความต้องการความเร็วที่สูงขึ้น และวิธีแก้ไข จากนั้นจึงแนะนำชุดสายเคเบิลความเร็วสูงจาก Samtec และอธิบายความสามารถและการใช้งานชุดสายเหล่านั้น

ความต้องการความเร็ว

โลกกำลังหิวกระหายการสื่อสารที่รวดเร็วยิ่งขึ้น ในการใช้งานต่างๆ เช่น โทรศัพท์มือถือ 5G และ 6G ปัญญาประดิษฐ์ (AI) การคำนวณควอนตัม และ 'ข้อมูลใหญ่' ขับเคลื่อนสถาปัตยกรรมระบบใหม่และต้องการแบนด์วิธที่สูงขึ้นด้วยอัตราการส่งข้อมูลที่เร็วขึ้น ในขณะที่อุปกรณ์และระบบมีขนาดลดลง เทคโนโลยีที่กำลังพัฒนาเหล่านี้ต้องการการเชื่อมต่อระหว่างกันที่สามารถให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณสูงสุด และรักษาอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR) สูงเมื่อมีสัญญาณรบกวน สัญญาณแทรกข้าม การสะท้อน การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และการสูญเสียและแหล่งที่มาของการรบกวนอื่นๆ

ความเร็วที่สูงขึ้นจำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีการเชื่อมต่อ ประการแรก การส่งสัญญาณแบบซิงเกิลเอนด์ ซึ่งข้อมูลถูกส่งด้วยสายไฟเส้นเดี่ยวที่อ้างอิงถึงเส้นทางกลับ (มักเรียกว่า 'กราวด์') จะถูกแทนที่ด้วยการเชื่อมต่อสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล โดยที่สายสองเส้นนำสัญญาณข้อมูลมีการหักล้างกัน 180˚ การส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลจะปรับปรุง SNR โดยการระงับสัญญาณรบกวนที่พบบ่อยในตัวนำทั้งสอง (สัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป) ประการที่สอง การเข้ารหัสข้อมูลจะย้ายจากบิตเดียวต่อรอบสัญญาณนาฬิกา การเข้ารหัสแบบไม่กลับไปเป็นศูนย์ (NRZ) ไปเป็นหลายบิตต่อรอบสัญญาณนาฬิกา เช่น การมอดูเลตแอมพลิจูดพัลส์ 4 ระดับ (PAM4) ซึ่งเข้ารหัสสี่ระดับที่แตกต่างกันหรือสองบิตต่อรอบสัญญาณนาฬิกา (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แผนภาพอายไดอะแกรมสำหรับข้อมูล NRZ (ขวา) มีสถานะที่เป็นไปได้สองสถานะ 1 หรือ 0 ต่อรอบสัญญาณนาฬิกา PAM4 (ซ้าย) มีสถานะที่เป็นไปได้สี่สถานะ ได้แก่ 00, 01, 10 และ 11 ต่อรอบสัญญาณนาฬิกา (แหล่งที่มาภาพ: Art Pini)

PAM4 แพ็คข้อมูลสองบิตลงในแต่ละรอบสัญญาณนาฬิกาโดยใช้สี่ระดับที่เข้ารหัสเป็น 00, 01, 10 หรือ 11 ซึ่งจะเป็นการเพิ่มอัตราข้อมูลเป็นสองเท่าสำหรับอัตรานาฬิกาคงที่ แต่จะลดลง SNR เนื่องจากความแปรผันของแอมพลิจูดที่น้อยกว่าระหว่างสถานะข้อมูล ดังนั้นการส่งสัญญาณ PAM4 จึงต้องมีความสมบูรณ์ของสัญญาณในระดับที่สูงกว่า

การกำหนดลักษณะของสายส่ง

ไม่ว่าวงจรพิมพ์จะทำงานหรือสายเคเบิลก็ตาม ประสิทธิภาพของสายส่งมักจะมีลักษณะเฉพาะในโดเมนความถี่โดยพารามิเตอร์การกระเจิง (พารามิเตอร์ s) โดยพารามิเตอร์ S อธิบายคุณสมบัติของอุปกรณ์ตามพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่สังเกตได้ที่อินพุตและเอาต์พุตโดยไม่ทราบส่วนประกอบเฉพาะภายในอุปกรณ์ ฟิกเกอร์ออฟเมอริท (FoM) หลายตัวซึ่งอิงตามพารามิเตอร์ s ที่วัดได้ นั้นใช้เพื่ออธิบายอุปกรณ์สองพอร์ต เช่น สายเคเบิล FoM ที่ใช้มากที่สุดคือ:

• การสูญเสียการแทรก: การลดทอนที่เกิดขึ้นจากสัญญาณที่แพร่กระจายจากอินพุตไปยังเอาต์พุตของสายเคเบิล แสดงเป็นเดซิเบล (dB) (สายส่งในอุดมคติมีการสูญเสียการแทรกที่ 0 dB)
• การสูญเสียสะท้อนกลับ: การสูญเสีย (เป็น dB) เนื่องจากการสะท้อนของสัญญาณซึ่งเป็นผลมาจากอิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันที่เอาต์พุต
• ครอสทอล์ค: การวัด (เป็น dB) ของสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ที่ต่อเข้ากับสายส่งเนื่องจากการต่อสายไฟที่อยู่ติดกัน

FoM อื่นๆ ที่น่าสนใจคือความล่าช้าในการแพร่กระจายของสายส่งและการบิดเบือนเวลา ความล่าช้าในการแพร่กระจายคือการหน่วงเวลาของสัญญาณที่แพร่กระจายผ่านสายส่ง การโน้มเอียงของเวลาคือความแตกต่างของเวลาระหว่างสัญญาณบนสายส่งตั้งแต่สองสายขึ้นไป

ตัวเลือกสายส่งสัญญาณ

เป็นเรื่องท้าทายที่จะตอบสนองความต้องการ FoM ของการกำหนดค่าความถี่สูงแบบหลายช่องทางของมาตรฐานการสื่อสารข้อมูลสมัยใหม่อย่างคุ้มค่าโดยใช้วิธีการออกแบบพื้นผิวบอร์ด PC แบบดั้งเดิม เพื่อแก้ไขปัญหานี้ Samtec Inc. ได้พัฒนาชุดสายเคเบิลความเร็วสูงโดยใช้สายไมโครโคแอกเซียลและ Twinax ที่เป็นกรรมสิทธิ์ของ Eye Speed ซึ่งมีความโดดเด่นในด้านการสูญเสียต่ำและความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ยอดเยี่ยม สายเคเบิลเหล่านี้รวมอยู่ในชุดสายเคเบิลแบบหลายเลน ให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าเนื่องจากมีโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: แสดงให้เห็นรายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างของสายเคเบิลไมโครโคแอกเชียล Eye Speed (ซ้าย) และสายเคเบิล Twinax (ขวา) ที่มีความโดดเด่นในด้านการสูญเสียต่ำและความสมบูรณ์ของสัญญาณสูง (แหล่งที่มาภาพ: Samtec)

สายโคแอกเชียล Eye Speed มีจำหน่ายโดยมีตัวนำตีเกลียวกลางขนาด 26 ถึง 28 American Wire Gauge (AWG) โดยโครงสร้างสายโคแอกเซียลนี้ให้ความยืดหยุ่นสูง น้ำหนักเบา และมีขนาดเล็ก ซึ่งมีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานในระยะยาว

ไดอิเล็กทริกเกิดขึ้นจากการอัดขึ้นรูปแข็งที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำ มีฟองอากาศ และฟลูออริเนตเอทิลีนโพรพิลีน (FEP) โดยการเกิดฟองทำให้เกิดการแทรกของอากาศ ส่งผลให้ความเร็วของสัญญาณสูง สายเคเบิลตระกูลนี้มีตัวเลือกการเสิร์ฟแบบโลหะ เทป หรือชีลด์แบบถัก เพื่อความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ดีขึ้น

โครงสร้างสายเคเบิล Twinax ของ Eye Speed ใช้ตัวนำทองแดงชุบเงิน 28 ถึง 36 AWG ขนาดสายไฟที่ใหญ่ขึ้นจะช่วยลดการสูญเสียการแทรกใส่ ในขณะที่สายไฟที่เล็กกว่าจะมีความยืดหยุ่นมากกว่า การอัดรีดไดอิเล็กทริกแบบ Co-extruding ช่วยปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณและแบนด์วิธ ทำให้มีอัตรา 28 ถึง 112 Gbps โดยการออกแบบที่กะทัดรัดส่งผลให้มีการเชื่อมต่อที่แน่นหนาระหว่างตัวนำสัญญาณและมีระยะห่างน้อยลงเพื่อให้ระยะพิทช์น้อยลงภายในชุดสายเคเบิล การสูญเสียการแทรกใส่สำหรับ Eye Speed Twinax 0.25 เมตร (ม.) สำหรับข้อมูลที่โอเวอร์คล็อกที่ 14 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) (56 Gbps PAM4) อยู่ในช่วง -1 ถึง -2.2 dB ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของสายไฟ การโน้มเอียงของเวลาระหว่างตัวนำในสาย Twinax น้อยกว่า 3.5 พิโกวินาที (ps) ต่อเมตร สายเคเบิลทั้งสองประเภทรองรับเทคโนโลยี Flyover ของ Samtec

เทคโนโลยี Flyover คืออะไร

เทคโนโลยี Flyover ของ Samtec ใช้แบนด์วิดธ์สูงและการสูญเสียชุดสายเคเบิล Eye Speed ต่ำเพื่อทดแทนโครงสร้างบัสออนบอร์ด ซึ่งช่วยลดการสูญเสียได้อย่างมาก (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: เทคโนโลยี Flyover ใช้สายเคเบิล Eye Speed เพื่อลดการสูญเสียลงอย่างมากและอัตราสัญญาณนาฬิกา 14 GHz และ 28 GHz เมื่อเทียบกับวัสดุแบ็คเพลนที่สูญเสียต่ำหรือสูญเสียต่ำมาก (แหล่งที่มาภาพ: Samtec)

เทคโนโลยี Flyover ช่วยลดความซับซ้อนของเลย์เอาต์บอร์ดสำหรับอัตราข้อมูลที่สูงกว่า 28 Gbps ด้วยความต้องการเลเยอร์บอร์ดที่น้อยลง นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถใช้วัสดุบอร์ดพีซีที่มีราคาถูกลงได้

ชุดสายเคเบิล Samtec

มีตัวเลือกชุดสายเคเบิลไมโครโคแอกเซียลและ Twinax ของ Eye Speed ที่หลากหลาย ในรูปแบบอาร์เรย์ความหนาแน่นสูงและนำเสนอคุณสมบัติต่างๆ เช่น อินทิกรัลกราวด์เพลน ขั้วต่อแบบไม่มีเพศ อุปกรณ์ที่ช่วยจัดระเบียบสายไฟ และตัวเลือกการเชื่อมต่อและการล็อคต่างๆ

ตัวอย่างเช่น ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 เป็นชุดสายเคเบิลแบบเสียบต่อปลั๊กแบบบางแบบต่อตรงที่มีคู่สัญญาณ 16 คู่ขนาดยาว 6 นิ้ว (นิ้ว) (152.4 มิลลิเมตร (มม.)) และรองรับการส่งสัญญาณ PAM4 64 Gbps (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 เป็นชุดสายเคเบิลแบบต่อโดยตรงที่มีคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล 16 คู่ที่รองรับการส่งสัญญาณ PAM4 64 Gbps (แหล่งที่มาภาพ: Samtec)

ส่วนประกอบนี้ประกอบด้วยสายเคเบิล Twinax แบบความโน้มเอียงต่ำพิเศษ 16 เส้นในการออกแบบแบสองแถวความหนาแน่นสูง โดยแยกออกเป็น 32 หน้าสัมผัส ด้วยระยะพิทช์ 0.025 นิ้ว (0.635 มม.) หน้าสัมผัสจะถูกบัดกรีโดยตรงกับตัวนำ Twinax เพื่อความสมบูรณ์ของสัญญาณที่เหมาะสมที่สุด สายเคเบิลเป็นสายแบบดิฟเฟอเรนเชียล 100 โอห์ม (Ω) โดยใช้ลวด 34 AWG ในรูปแบบ 8 และ 24 คู่ มีช่วงอุณหภูมิในการทำงานตั้งแต่ -40°C ถึง +125°C

ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B คือชุดสายเคเบิลแบบจรดขอบการ์ดที่ประกอบด้วยสายเคเบิลโคแอกเชียล 50 Ω แบบปลายเดียวจำนวน 2 แถวจำนวน 20 เส้นพร้อมขั้วต่อหน้าสัมผัส 40 ตัว (รูปที่ 5) ความยาวสายเคเบิลคือ 12 นิ้ว (305 มม.)

รูปที่ 5: ชุดสายเคเบิล ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B ใช้สายโคแอกเซียลปลายเดียวที่มีตัวนำกลาง 34 AWG โดยหน้าสัมผัสมีระยะห่างระหว่างระยะพิทช์ 0.0315 นิ้ว (0.80 มม.) (แหล่งที่มาภาพ: Samtec)

สายโคแอกเซียลใช้ตัวนำกลางขนาด 34 AWG ที่จัดเรียงเป็นสายแพ ระยะพิทช์ของตัวเชื่อมต่อคือ 0.0315 นิ้ว (0.80 มม.) สายเคเบิลเหล่านี้สามารถรองรับสัญญาณ 14 Gbps ตัวเชื่อมต่อใช้กลไกการล็อคสลักแบบบีบเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเชื่อมต่อเป็นบวก ทางเลือกชุดสายมีให้เลือกใช้สายเคเบิล 10 ถึง 60 เส้นต่อแถวพร้อมกลไกการล็อคที่หลากหลาย ทั้งหมดทำงานในช่วงอุณหภูมิ -25°C ถึง +105°C

ชุดสายเคเบิล HLCD-20-40-00-TR-TR-2 ใช้สายเคเบิลปลายเดี่ยว 50 Ω จำนวน 10 แถวที่มีความยาว 40 นิ้ว (1.02 ม.) มีหน้าสัมผัสสี่สิบหน้าด้วยระยะหน้าสัมผัส 0.0197 นิ้ว (0.5 มม.) (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ชุดสายเคเบิล HLCD-20-40.00-TR-TR-2 ใช้ขั้วต่อแบบไม่มีเพศที่จับคู่ตัวเองได้ (แหล่งที่มาภาพ: Samtec)

ขั้วต่อแบบไม่มีเพศมีหมุดและซ็อกเก็ตที่สามารถต่อเข้ากับขั้วต่อเดียวกันได้ ใช้ในการใช้งานที่ไม่จำเป็นต้องมีโพลาไรซ์หน้าสัมผัส เช่น คู่ข้อมูลแบบสองทิศทาง

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 มีตัวเลือกช่วงอุณหภูมิการทำงานมาตรฐานที่ -25°C ถึง +105°C หรือเพิ่มไปที่ -40°C ถึง +125°C

ชุดประกอบสายเคเบิล HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B ใช้สายเคเบิล Twinax 100 Ω, 30 AWG สองแถว โดยมีความยาว 12 นิ้ว (305 มม.) มีสายเคเบิล 20 เส้น ใช้ขั้วต่อแบบปลั๊กต่อขอบการ์ด และสามารถทำงานได้ที่ 14 Gbps (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: ชุดสายไฟ HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B มีขั้วต่อแบบปลั๊กต่อขอบการ์ดพร้อมสายเคเบิล Twinax 100 Ω สองแถว (แหล่งที่มาภาพ: Samtec)

กลุ่มผลิตภัณฑ์นี้มีตัวเลือกสายเคเบิล 20, 40 หรือ 60 เส้น และตัวเชื่อมต่อแบบพื้นผิวและแบบติดตั้งที่ขอบที่หลากหลาย และมีระยะพิทช์ของตัวเชื่อมต่อ 0.020 นิ้ว (0.5 มม.)

สรุป

อัตราการรับส่งข้อมูลที่สูงขึ้นยังคงผลักดันนักออกแบบให้แสวงหาวิธีการใหม่ ๆ เพื่อรับรองความสมบูรณ์ของสัญญาณ โดยการทำงานร่วมกับ Samtec ช่วยให้สามารถก้าวข้ามข้อจำกัดของบัสส่งสัญญาณบอร์ดพีซีแบบหลายเลนแบบคลาสสิก และใช้ประโยชน์จากชุดสายเคเบิลประสิทธิภาพสูง ยืดหยุ่น และคุ้มค่าที่หลากหลาย ซึ่งตรงตามหรือเกินกว่าข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งานด้านการสื่อสารในปัจจุบัน