Elektronik cihazlar sürekli küçülürken veri aktarım hızları da sürekli artıyor. Tasarımcıların bu trende uyum sağlamak için veri iletim hızını, güvenilirliği ve sinyal bütünlüğünü korurken daha küçük bir alana daha fazla devre entegre edebilmeleri gerekiyor. Tasarımcılar ayrıca elektromanyetik girişimi (EMI) mümkün olduğunca en aza indirmek için hava soğutma ve fiziksel izolasyon konularını da ele almalıdır.
Baskılı devre kartlarının (PC kartları) istiflenmesi, devre yoğunluğunu arttırmanın yaygın bir yöntemidir. Yardımcı kartlar ve sandviç yardımcı kartlar kullanılarak soğutma ve sinyal izolasyon yolları oluşturulurken daha fazla devre kartı alanı elde edilebilir.
Bu makale, yüksek hızlı devre tasarımcılarının karşılaştığı çeşitli zorlukları kısaca özetlemektedir. Daha sonra Würth Elektronik'in karttan karta konnektörlerini tanıtın ve sinyal bütünlüğünü korurken güvenilir sinyal bağlantıları elde etmek için bu konnektörlerin nasıl kullanılacağını açıklayın.
Sandviç panel
Sandviç panelin yerleşimi, dikey olarak istiflenmiş, karttan karta konnektörlerle elektriksel olarak bağlanan iki paralel devre kartından oluşur (Şekil 1, sol).
Çok sütunlu sandviç monteli devre kartları
Şekil 1: Soldaki resim birden fazla sandviç monteli baskılı devre kartının (PCB) örneklerini göstermektedir; Sağdaki şekil konnektörler, yüzeye montaj teknolojisi veya dişli izolasyon kolonları aracılığıyla kurulabilen alt panelin kurulum yöntemini göstermektedir. (Resim kaynağı: Würth Elektronik)
İki devre kartından oluşan bu karttan karta düzenleme, devreye daha fazla fiziksel alan kazandırır. Bu yapı, hacimsel verimliliği artırmak, değiştirilebilirliği sağlamak veya hava akışını iyileştirmek ve EMI'yi azaltmak için fiziksel izolasyon oluşturmak için kullanılabilir. Karttan karta konnektörler, kablo kullanılmadan devre kartına doğrudan bağlanır. Sandviç panel konektörü, belirlenen pano aralıklarıyla birden fazla istifleme yüksekliğine ulaşabilir. Üst devre kartı, titreşim ve darbe direncini artırmak için konektörlerle desteklenebilir ve sabitlenebilir veya yüzeye montajlı veya dişli izolasyon sütunlarıyla sabitlenebilir (Şekil 1, sağ).
Sinyal bütünlüğü için dikkate alınması gereken faktörler
Sinyal bütünlüğü, konektörler aracılığıyla bir devre kartından diğerine aktarıldığında sinyallerin nasıl bozulduğunu veya zayıfladığını açıklar. Temas direnci gibi bu etkilerin bazıları frekanstan bağımsızdır ve kolaylıkla hesaplamalara dahil edilip düzeltilebilir.
Ancak frekansla ilgili iki önemli sinyal bütünlüğü parametresi yansıma katsayısı (ρ) ve iletim katsayısıdır (t) (Şekil 2). İletim katsayısı genellikle ekleme kaybı kullanılarak desibel (dB) cinsinden ifade edilir. Yansıma katsayısı (geri dönüş kaybı), empedans değer adımlarıyla karşılaşıldığında veri sinyallerinin sinyal kaynağına geri yansımasından kaynaklanır. Ekleme kaybı, iletim yolunun zayıflamasını ölçmek için kullanılır. Her ikisi de PC kartı hat empedansına (Zs) göre konnektör empedansına (ZCAB) bağlıdır.
Hem geri dönüş kaybı hem de ekleme kaybı konektörün empedansına bağlıdır
Şekil 2: Geri dönüş kaybı ve ekleme kaybı, PC kartı hat empedansına göre konnektör empedansına bağlıdır. (Resim kaynağı: Würth Elektronik)
İletim kaybı konnektörden geçen sinyalin genliğini azaltacaktır ve konnektörün yol uzunluğu ve geometrik yapısıyla orantılıdır. Yakın uç karışma (NEXT) veya uzak uç karışma (FEXT) da bir miktar enerji kaybına neden olabilir. Geri dönüş kaybı ve iletim katsayısı, konnektör empedansı (kablo olarak simüle edilmiştir) ile devre kartı iletim hattı empedansı (bu örnekte 50 Ω olduğu varsayılmıştır) arasındaki farka bağlı olan frekansa bağlı parametrelerdir. Yansıma katsayısı ve iletim katsayısı gösterilen formüllerle tanımlanır.
Şekil 2, bu parametrelerin konektörün (kablonun) empedansına göre değişimini göstermektedir. Konektörün empedansı 50 Ω ise teorik geri dönüş kaybı sıfırdır ve iletim katsayısı %100'dür, bu da kayıp olmadığını gösterir. Konnektör empedansının 50 Ω'dan sapması durumunda ilgili parametrelerdeki değişiklikler konnektör empedansının 50 Ω'dan sapma değeri ve frekansı ile orantılı olacaktır. Konektörlerde empedans, kullanılan yalıtım malzemesine ve pinlerin genişlik, uzunluk ve mesafe (aralık) dahil olmak üzere geometrik yapısına bağlıdır. Ayrıca bitişik pinlerin kablolaması da bunda etkili olabilir.
Yüksek hızlı verileri iletmek için iki yaygın kablolama konfigürasyonu vardır (Şekil 3): biri, veri sinyalinin toprağa referanslandığı tek uçlu bir yapıdır; Diğer bir tür, iki tamamlayıcı sinyal hattını kullanan diferansiyel yapıdır ve veri sinyalinin genliği, iki sinyal hattı arasındaki voltaj farkıdır. Çift sinyal hatlarındaki gürültüyü ve paraziti azaltmak için diferansiyel sinyaller kullanılır. Genel olarak konuşursak, diferansiyel sinyaller en yüksek veri hızlarına sahip uygulamalar için kullanılır. Gürültü alımını azaltmak için veri sinyalleri genellikle bir veya daha fazla toprak sinyaliyle eşleştirilir.