Utiliser des assemblages de câbles appropriés pour garantir l'intégrité des signaux dans les communications de données haute vitesse

Les architectures de systèmes électroniques nécessitent des débits de données plus rapides avec des schémas de modulation de niveau supérieur dans des facteurs de forme plus compacts. Cela complique la disposition des cartes à circuit imprimé, car les concepteurs s'efforcent de minimiser les pertes des lignes de transmission et de réduire la sensibilité au bruit, à la réflexion et à la diaphonie afin de maintenir l'intégrité des signaux et de répondre aux exigences de taux d'erreur sur les bits (TEB) maximum. De plus, les signaux électriques ou optiques multi-voies entre circuits intégrés ou carte-à-carte requièrent un biais de signal minimisé, en particulier dans les paires de signaux différentiels.

Une façon de répondre à ces besoins et de permettre l'utilisation de substrats de cartes standard pour éviter des coûts plus élevés consiste à utiliser des assemblages de câbles haute vitesse au lieu de s'appuyer uniquement sur des pistes de circuits imprimés. Ces assemblages utilisent des configurations asymétriques et différentielles, des matériaux avancés et des techniques qui assurent une excellente intégrité des signaux, et prennent en charge des chemins de signaux multi-voies haute densité en cuivre ou fibre optique. Certaines implémentations offrent des taux de fonctionnement atteignant 64 gigabits par seconde (Gbps).

Cet article explique ce qui motive le besoin d'une vitesse plus élevée et comment ce problème est résolu. Il présente ensuite des assemblages de câbles haute vitesse de Samtec et décrit leurs capacités et leur utilisation.

Le besoin de vitesse

Le monde est avide de communications plus rapides. Des applications telles que les réseaux cellulaires 5G et 6G, l'intelligence artificielle (IA), l'informatique quantique et le « Big Data » génèrent de nouvelles architectures système et exigent des bandes passantes plus élevées à des taux de transmission plus rapides tout en réduisant la taille des dispositifs et des systèmes. Ces technologies en développement requièrent des interconnexions capables de fournir la plus haute intégrité des signaux et de maintenir des rapports signal/bruit (SNR) élevés en présence de bruit, de diaphonie, de réflexions, d'interférences électromagnétiques et d'autres pertes et sources d'interférences.

Des vitesses plus élevées nécessitent des changements dans les technologies de connexion. Premièrement, la transmission de signaux asymétrique, où les données sont transférées par un seul fil référencé à un chemin de retour (souvent appelé « masse »), est supplantée par des connexions de signaux différentielles où deux fils transportent des signaux de données déphasés de 180°. La signalisation différentielle améliore le SNR en supprimant le bruit commun aux deux conducteurs (bruit de mode commun). Deuxièmement, le codage des données évolue d'un codage à un bit par cycle d'horloge, sans retour à zéro (NRZ), à plusieurs bits par cycle d'horloge, comme la modulation d'impulsions en amplitude à 4 niveaux (PAM4), qui code quatre niveaux distincts ou deux bits par cycle d'horloge (Figure 1).

Figure 1 : Le diagramme en œil pour les données NRZ (à droite) a deux états possibles, 1 ou 0, par cycle d'horloge. PAM4 (à gauche) a quatre états possibles, 00, 01, 10 et 11, par cycle d'horloge. (Source de l'image : Art Pini)

PAM4 regroupe deux bits de données dans chaque cycle d'horloge en utilisant quatre niveaux codés en 00, 01, 10 ou 11. Cela double le débit de données pour une fréquence d'horloge fixe mais réduit le SNR en raison des variations d'amplitude plus faibles entre les états de données. La signalisation PAM4 requiert donc un niveau plus élevé d'intégrité des signaux.

Caractérisation des performances des lignes de transmission

Qu'il s'agisse de circuits imprimés ou de câbles, les performances des lignes de transmission sont généralement caractérisées dans le domaine fréquentiel par des paramètres de diffusion (paramètres S). Les paramètres S décrivent les propriétés d'un dispositif en fonction du comportement électrique observé au niveau des entrées et des sorties sans connaître les composants spécifiques à l'intérieur du dispositif. Plusieurs facteurs de mérite (FoM), basés sur les paramètres S mesurés, sont utilisés pour décrire les dispositifs à deux ports tels que les câbles. Les facteurs de mérite les plus utilisés sont les suivants :

• Perte d'insertion : L'atténuation subie par un signal se propageant de l'entrée à la sortie d'un câble, exprimée en décibels (dB) (une ligne de transmission idéale a une perte d'insertion de 0 dB)
• Pertes par réflexion : La perte (en dB) due à la réflexion des signaux résultant d'une désadaptation d'impédance en sortie
• Diaphonie : Une mesure (en dB) des signaux indésirables couplés dans la ligne de transmission en raison du câblage adjacent

D'autres facteurs de mérite intéressants sont le biais temporel et le temps de propagation de la ligne de transmission. Le temps de propagation est le délai d'un signal se propageant sur une ligne de transmission. Le biais temporel est la différence de temps entre les signaux sur deux lignes de transmission ou plus.

Options de lignes de transmission

Il est difficile de répondre de manière rentable aux exigences FoM des configurations multi-voies haute fréquence des normes de communications de données modernes en utilisant des approches de conception de substrats de circuits imprimés traditionnelles. Pour résoudre ce problème, Samtec Inc. a développé des assemblages de câbles haute vitesse utilisant ses câbles twinaxiaux et micro-coaxiaux Eye Speed propriétaires, qui se distinguent par leurs faibles pertes et leur excellente intégrité des signaux. Ces câbles, incorporés dans des assemblages de câbles multi-voies, offrent des performances supérieures grâce à leur construction unique (Figure 2).

Figure 2 : Aperçu détaillé de la construction des câbles micro-coaxiaux (à gauche) et twinaxiaux (à droite) Eye Speed qui se distinguent par leurs faibles pertes et leur haute intégrité des signaux. (Source de l'image : Samtec)

Les câbles coaxiaux Eye Speed sont disponibles avec des conducteurs centraux de 26 AWG à 28 AWG. Cette construction de câble coaxial se traduit par une grande flexibilité, un faible poids et un format compact, ce qui est particulièrement important pour les grandes longueurs.

Le diélectrique est formé comme une extrusion solide d'éthylène-propylène fluoré (FEP) cellulaire à faible constante diélectrique. Le moussage crée des intrusions d'air, entraînant une vitesse de signal élevée. Cette famille de câbles offre un choix de blindages métalliques, en ruban ou tressés, pour une meilleure intégrité des signaux.

La construction du câble twinaxial Eye Speed utilise des conducteurs en cuivre plaqué argent de 28 AWG à 36 AWG. Les fils de plus grande taille permettent de réduire les pertes d'insertion, tandis que les fils plus petits offrent une plus grande flexibilité. La co-extrusion du diélectrique améliore l'intégrité des signaux et la bande passante, permettant des débits de 28 à 112 Gbps. La conception compacte se traduit par un couplage étroit entre les conducteurs de signaux et par un espacement plus faible pour un pas plus petit dans l'assemblage de câble. La perte d'insertion pour 0,25 mètre (m) de câble twinaxial Eye Speed pour des données cadencées à 14 gigahertz (GHz) (56 Gbps PAM4) est comprise entre -1 dB et -2,2 dB, en fonction du diamètre du fil. Le biais temporel entre les conducteurs du câble twinaxial est inférieur à 3,5 picosecondes (ps) par mètre. Les deux types de câbles prennent en charge la technologie Flyover de Samtec.

Technologie Flyover

La technologie Flyover de Samtec utilise la bande passante élevée et la faible perte des assemblages de câbles Eye Speed pour remplacer les structures de bus embarquées, réduisant ainsi considérablement les pertes (Figure 3).

Figure 3 : La technologie Flyover utilise des câbles Eye Speed pour offrir des pertes considérablement réduites et des fréquences d'horloge de 14 GHz et 28 GHz par rapport aux matériaux de fond de panier à faibles ou ultrafaibles pertes. (Source de l'image : Samtec)

En nécessitant moins de couches de cartes, la technologie Flyover simplifie la configuration des cartes pour les débits de données supérieurs à 28 Gbps. Elle permet également d'utiliser des matériaux de carte moins coûteux.

Assemblages de câbles Samtec

De nombreuses options d'assemblages de câbles micro-coaxiaux et twinaxiaux Eye Speed sont disponibles. Ces assemblages sont disponibles en tant que matrices haute densité et offrent des fonctionnalités telles que des plans de masse intégrés, des connecteurs hermaphrodites, une réduction de tension et diverses options de connexion et de verrouillage.

Par exemple, l'ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 est un assemblage de câble fin, fiche-à-fiche à connexion directe, avec 16 paires de signaux, mesurant 152,4 millimètres (mm) de long et prenant en charge la signalisation PAM4 64 Gbps (Figure 4).

Figure 4 : L'ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 est un assemblage de câble à connexion directe avec 16 paires de signaux différentiels prenant en charge la signalisation PAM4 64 Gbps. (Source de l'image : Samtec)

Cet assemblage comprend 16 câbles twinaxiaux à biais ultrafaible dans une conception haute densité à deux rangées avec 32 contacts et un pas de 0,635 mm. Les contacts sont directement soudés aux conducteurs twinaxiaux pour une intégrité optimale des signaux. Les câbles sont différentiels 100 ohms (Ω) avec un fil de 34 AWG et ils sont disponibles en configurations à 8 et 24 paires. Ils affichent une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C.

L'ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B est un assemblage de câble bord de carte-à-bord de carte comprenant deux rangées de vingt câbles coaxiaux 50 Ω asymétriques avec un connecteur à 40 contacts (Figure 5). Le câble mesure 305 mm de long.

Figure 5 : L'assemblage de câble ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B utilise un câble coaxial asymétrique avec un conducteur central de 34 AWG. Les contacts sont espacés selon un pas de 0,80 mm. (Source de l'image : Samtec)

Les lignes coaxiales utilisent des conducteurs centraux de 34 AWG disposés en câble plat. Le pas du connecteur est de 0,80 mm. Ces câbles sont répertoriés pour gérer des signaux de 14 Gbps. Les connecteurs utilisent un mécanisme de verrouillage à loquet à pression pour garantir un raccordement positif. En option, l'assemblage est disponible avec de 10 à 60 câbles par rangée avec une variété de mécanismes de verrouillage. Tous fonctionnent sur une plage de températures s'étendant de -25°C à +105°C.

L'assemblage de câble HLCD-20-40-00-TR-TR-2 utilise deux rangées de dix câbles asymétriques de 50 Ω d'une longueur de 1,02 m. Il fournit quarante contacts avec un pas de contact de 0,5 mm (Figure 6).

Figure 6 : L'assemblage de câble HLCD-20-40.00-TR-TR-2 utilise des connecteurs hermaphrodites à auto-raccordement. (Source de l'image : Samtec)

Les connecteurs hermaphrodites ont des broches et des prises qui peuvent être raccordées avec le même connecteur. Ils sont utilisés dans les applications où la polarisation des contacts n'est pas requise, telles que les paires de données bidirectionnelles.

Le HLCD-20-40.00-TR-TR-2 offre un choix de plages de températures de fonctionnement standard ou étendue de -25°C à +105°C ou de -40°C à +125°C, respectivement.

L'assemblage de câble HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B utilise deux rangées de câbles twinaxiaux de 100 Ω, 30 AWG. Il mesure 305 mm de long, comporte 20 câbles, utilise un connecteur fiche-à-bord de carte et est répertorié pour un fonctionnement à 14 Gbps (Figure 7).

Figure 7 : L'assemblage de câble HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B est doté d'un connecteur fiche-à-bord de carte avec deux rangées de câble twinaxiaux de 100 Ω. (Source de l'image : Samtec)

Cette famille offre des options de 20, 40 ou 60 câbles et une variété de connecteurs à montage latéral ou en surface, et a un pas de connecteur de 0,5 mm.

Conclusion

L'augmentation des débits de données pousse les concepteurs à rechercher des moyens innovants pour garantir l'intégrité des signaux. Travailler avec Samtec leur permet de dépasser les contraintes des bus de signalisation de circuits imprimés multi-voies classiques et de bénéficier d'une large gamme d'assemblages de câbles hautes performances, flexibles et économiques qui répondent aux spécifications des applications de communications d'aujourd'hui, voire les dépassent.