5 principios de diseño para aplicar interconexiones robustas para aplicaciones con uso intensivo de datos

La necesidad actual de velocidades de datos rápidas en mapeo de geolocalización, transmisión de video de vehículos aéreos no tripulados (UAV), detección de imágenes de luz y detección de rango (LiDAR) y otras aplicaciones militares y aeroespaciales con uso intensivo de datos es prácticamente ilimitada. Los soldados quieren saber de inmediato:¿está despejado el rastro? ¿Es esta la dirección correcta? ¿Hay algún obstáculo en la ruta de vuelo?

Para proporcionar respuestas en tiempo real, los sistemas integrados y los dispositivos electrónicos deben emplear tecnologías de interconexión que sean más robustas que las soluciones de grado comercial y que admitan protocolos de alta velocidad (10-Gigabit Ethernet, USB 3.0, InfiniBand), así como buses rápidos (VPX, PCI Express-PCIe). Para ayudar a los desarrolladores a enfrentar estos desafíos, esta breve descripción general describe cinco principios de diseño para aplicar interconexiones robustas que pueden admitir altas velocidades y mantener una alta integridad de la señal.

1. Siga la ruta de la señal completa

Al comienzo de un proyecto, es valioso ver las interconexiones de manera integral como parte del sistema en lugar de una ocurrencia tardía de último momento. CADA CONEXIÓN CUENTA. Esto se debe a que cada nivel de empaquetado electrónico impone demandas únicas sobre la capacidad de la interconexión para mantener la integridad de la señal. Cada interconexión debe mantener la velocidad y el rendimiento de los datos en cada uno de los seis niveles diferentes de empaquetado electrónico:

• Nivel 1: Conexiones entre un elemento de circuito básico y sus conductores.

• Nivel 2: Conexiones entre los cables de los componentes y una placa de circuito impreso (PCB), como enchufes de circuito integrado (IC).

• Nivel 3: Conexiones entre dos placas de circuito, normalmente conexiones de placa a placa, que incluyen conectores de borde de tarjeta de una pieza y conectores de dos piezas y conectores apilables.

• Nivel 4: Conexiones entre dos subconjuntos, que generalmente involucran alambres y cableado, o encabezados cuando un dispositivo requiere más de un subconjunto dentro de su carcasa.

• Nivel 5: Conexiones desde un subconjunto a los puertos de entrada / salida (E / S) del sistema, que normalmente implican conexiones a subconjuntos mediante cables o conexión directa (como un conector de mamparo de montaje en placa).

• Nivel 6: Conexiones entre sistemas separados físicamente, que a menudo emplean cableado de cobre o fibra óptica para conectar puertos de E / S de sistemas separados a otros dispositivos, periféricos y conmutadores de red. También puede implicar una conexión inalámbrica mediante antenas.

2. Apunta a una ruta eléctricamente optimizada

Cada vez que una señal entra y sale de un circuito o componente, pierde fuerza. La degradación de la señal resultante, conocida como "pérdida de inserción", medida en decibelios (dB), es un efecto secundario inherente de las propiedades electromecánicas de cada interconexión. La pérdida total de inserción es producto de varios factores, que incluyen desajustes de impedancia, pérdida de conductor (pérdida de energía debido al conductor en la línea de señal) y pérdida dieléctrica (pérdida de energía debido al material dieléctrico en sí).

Aunque la pérdida de inserción no se puede eliminar, el diseñador puede seleccionar interconexiones utilizando materiales y diseños que minimicen el impacto en la integridad de la señal. En aplicaciones de alta velocidad, por ejemplo, los diseñadores suelen apuntar a conectores con una clasificación de pérdida de inserción de –1 dB o menos para garantizar una intensidad de señal adecuada. El diseñador debe determinar los niveles de canal aceptables para una aplicación determinada en vista de otros factores en la línea de transmisión que afectan la integridad de la señal.

3. Asegúrese de que la impedancia y la longitud de la ruta coincidan

Cuando una interconexión exhibe resistencia o reactancia a la corriente eléctrica que es diferente del resto del circuito, causa una discontinuidad o desajuste de impedancia. Una falta de coincidencia de impedancia puede crear reflejos de señal que afecten la integridad de la señal a medida que viaja por la línea de transmisión. Una forma de reflexión de la señal es la "pérdida de retorno", que es la energía reflejada de regreso a la fuente debido a la falta de coincidencia de impedancia.

Por lo general, un diseñador no puede alterar la impedancia dentro de un conector o cable a menos que el componente en sí esté personalizado. Por lo tanto, el objetivo del diseño suele ser hacer coincidir la impedancia de la interconexión con la impedancia del entorno de referencia. Por ejemplo, un conector de 75 Ω será más invisible eléctricamente en un sistema de 75 Ω que un conector de 50 Ω.

Seleccionar contactos, cables y otros elementos con geometrías físicas o materiales dieléctricos que minimicen las discontinuidades de impedancia es el primer paso para mantener la integridad de la señal. El segundo paso es garantizar que todas las áreas de transición de componente a componente se gestionen con coherencia. Estas áreas incluyen juntas de soldadura, engarces y regiones de transición de cable a conector. Los valores de pérdida de retorno por debajo de –10 dB en la banda de frecuencia objetivo es un objetivo típico, aunque se pueden determinar valores máximos y mínimos aceptables para una ruta de transmisión determinada.

La longitud de la ruta también es importante cuando se utilizan dos o más rutas de señal paralelas en la interconexión, como en la señalización de pares diferenciales. En este caso, las longitudes de la ruta eléctrica deben coincidir con precisión. De lo contrario, el tiempo que tarda cada señal en propagarse a través de la interconexión será diferente. El retardo de propagación resultante, conocido como "sesgo" en el par diferencial, afectará negativamente la sincronización del sistema y aumentará la pérdida de inserción, la falta de coincidencia de impedancia y la diafonía.