5 prinsip desain untuk menerapkan interkoneksi yang kuat untuk aplikasi intensif data

Kebutuhan saat ini akan kecepatan data yang cepat dalam pemetaan geolokasi, streaming video kendaraan udara tak berawak (UAV), penginderaan deteksi-pencitraan-dan-ranging (LiDAR), dan aplikasi militer dan kedirgantaraan intensif data lainnya praktis tidak terbatas. Tentara segera ingin tahu:Apakah jejaknya jelas? Apakah ini arah yang benar? Apakah ada halangan di jalur penerbangan?

Untuk memberikan jawaban secara real time, sistem tertanam dan perangkat elektronik harus menggunakan teknologi interkoneksi yang lebih kuat daripada solusi kelas komersial sambil mendukung protokol berkecepatan tinggi (Ethernet 10-Gigabit, USB 3.0, InfiniBand) serta bus cepat (VPX, PCI Express-PCIe). Untuk membantu developer menghadapi tantangan ini, ikhtisar singkat ini menjelaskan lima prinsip desain untuk menerapkan interkoneksi tangguh yang dapat mendukung kecepatan tinggi dan mempertahankan integritas sinyal yang tinggi.

1. Ikuti jalur sinyal lengkap

Di awal proyek, sangat berharga untuk melihat interkoneksi secara holistik sebagai bagian dari sistem daripada renungan di menit-menit terakhir. SETIAP KONEKSI DIHITUNG. Itu karena setiap tingkat kemasan elektronik memaksakan tuntutan unik pada kemampuan interkoneksi untuk menjaga integritas sinyal. Setiap interkoneksi diminta untuk mempertahankan kecepatan dan kinerja data di masing-masing dari enam tingkat kemasan elektronik yang berbeda:

• Level 1: Koneksi antara elemen sirkuit dasar dan kabelnya.

• Level 2: Sambungan antara kabel komponen dan papan sirkuit tercetak (PCB), seperti soket sirkuit terpadu (IC).

• Level 3: Sambungan antara dua papan sirkuit, biasanya sambungan papan-ke-papan, yang mencakup konektor tepi kartu satu bagian dan konektor dua bagian serta konektor susun.

• Level 4: Koneksi antara dua sub-rakitan, biasanya melibatkan kabel dan kabel, atau header ketika perangkat memerlukan lebih dari satu sub-rakitan di dalam wadahnya.

• Level 5: Koneksi dari sub-rakitan ke port input/output (I/O) sistem, biasanya melibatkan koneksi ke sub-rakitan menggunakan kabel atau koneksi langsung (seperti konektor sekat pemasangan papan).

• Level 6: Koneksi antara sistem yang terpisah secara fisik, seringkali menggunakan kabel tembaga atau serat optik untuk menghubungkan port I/O dari sistem yang terpisah ke perangkat lain, periferal, dan sakelar jaringan. Mungkin juga melibatkan koneksi nirkabel menggunakan antena.

2. Bertujuan untuk jalur yang dioptimalkan secara elektrik

Setiap kali sinyal masuk dan keluar dari sirkuit atau komponen, ia kehilangan kekuatan. Degradasi sinyal yang dihasilkan — dikenal sebagai “insertion loss”, yang diukur dalam desibel (dB) — merupakan efek samping yang melekat dari sifat elektromekanis di setiap interkoneksi. Rugi penyisipan total adalah produk dari beberapa faktor, termasuk ketidaksesuaian impedansi, rugi konduktor (energi yang hilang karena konduktor dalam saluran sinyal), dan rugi dielektrik (energi yang hilang karena bahan dielektrik itu sendiri).

Meskipun kerugian penyisipan tidak dapat dihilangkan, perancang dapat memilih interkoneksi menggunakan bahan dan desain yang meminimalkan dampak pada integritas sinyal. Dalam aplikasi kecepatan tinggi, misalnya, desainer biasanya membidik konektor dengan peringkat kerugian penyisipan -1-dB atau kurang untuk memastikan kekuatan sinyal yang memadai. Perancang perlu menentukan level saluran yang dapat diterima untuk aplikasi tertentu dengan mempertimbangkan faktor lain dalam saluran transmisi yang memengaruhi integritas sinyal.

3. Pastikan impedansi dan panjang jalur cocok

Ketika interkoneksi menunjukkan resistansi atau reaktansi terhadap arus listrik yang berbeda dari rangkaian lainnya, hal itu menyebabkan diskontinuitas atau ketidaksesuaian impedansi. Ketidakcocokan impedansi dapat membuat pantulan sinyal yang memengaruhi integritas sinyal saat melewati saluran transmisi. Salah satu bentuk refleksi sinyal adalah “return loss”, yaitu energi yang dipantulkan kembali ke sumber karena ketidaksesuaian impedansi.

Seorang desainer biasanya tidak dapat mengubah impedansi dalam konektor atau kabel kecuali komponen itu sendiri disesuaikan. Oleh karena itu, tujuan desain biasanya untuk mencocokkan impedansi interkoneksi dengan impedansi lingkungan referensi. Misalnya, konektor 75- akan lebih tidak terlihat secara elektrik dalam sistem 75- daripada konektor 50-.

Memilih kontak, kabel, dan elemen lain dengan geometri fisik atau bahan dielektrik yang meminimalkan diskontinuitas impedansi adalah langkah pertama untuk menjaga integritas sinyal. Langkah kedua adalah memastikan bahwa semua area transisi komponen-ke-komponen dikelola dengan konsisten. Area ini termasuk sambungan solder, crimp, dan area transisi kabel ke konektor. Nilai return loss di bawah –10 dB pada pita frekuensi yang ditargetkan adalah tujuan umum, meskipun nilai maksimum dan minimum yang dapat diterima dapat ditentukan untuk jalur transmisi tertentu.

Panjang jalur juga penting ketika dua atau lebih jalur sinyal paralel digunakan dalam interkoneksi, seperti dalam pensinyalan pasangan diferensial. Dalam hal ini, panjang jalur listrik harus dicocokkan dengan tepat. Jika tidak, waktu yang dibutuhkan setiap sinyal untuk menyebar melalui interkoneksi akan berbeda. Penundaan propagasi yang dihasilkan, yang dikenal sebagai "kecondongan" pada pasangan diferensial, akan berdampak negatif pada pengaturan waktu sistem ditambah peningkatan kerugian penyisipan, ketidakcocokan impedansi, dan crosstalk.