Los dispositivos electrónicos se reducen constantemente, mientras que las velocidades de transmisión de datos aumentan constantemente. Para cumplir con esta tendencia, los diseñadores deben poder integrar más circuitos en un espacio más pequeño manteniendo la velocidad de transmisión de datos, la confiabilidad y la integridad de la señal. Los diseñadores también deben abordar las cuestiones de refrigeración por aire y aislamiento físico para minimizar la interferencia electromagnética (EMI) tanto como sea posible.
El apilamiento de placas de circuito impreso (placas de PC) es un método común para aumentar la densidad del circuito. Al utilizar placas secundarias y placas secundarias tipo sándwich, se puede obtener más espacio en la placa de circuito, al tiempo que se construyen rutas de refrigeración y aislamiento de señal.
Este artículo describe brevemente los diversos desafíos que enfrentan los diseñadores de circuitos de alta velocidad. Luego, presente los conectores placa a placa de W ü rth Elektronik y explique cómo utilizar estos conectores para lograr conexiones de señal confiables manteniendo la integridad de la señal.
Panel sándwich
El diseño del panel sándwich consta de dos placas de circuito paralelas apiladas verticalmente, que están conectadas eléctricamente a través de conectores placa a placa (Figura 1, izquierda).
Placas de circuitos montadas en sándwich de múltiples columnas
Figura 1: La imagen de la izquierda muestra ejemplos de múltiples placas de circuito impreso (PCB) montadas en sándwich; La figura de la derecha muestra el método de instalación de la placa secundaria, que se puede instalar mediante conectores, tecnología de montaje en superficie o columnas de aislamiento roscadas. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)
Esta disposición placa a placa que consta de dos placas de circuito aporta más espacio físico al circuito. Esta estructura se puede utilizar para mejorar la eficiencia volumétrica, lograr intercambiabilidad o formar aislamiento físico para mejorar el flujo de aire y reducir la EMI. Los conectores placa a placa se conectan directamente a la placa de circuito sin el uso de cables. El conector de panel sándwich puede alcanzar múltiples alturas de apilamiento con una determinada distancia entre placas. La placa de circuito superior se puede soportar y fijar mediante conectores, o fijarse con montaje en superficie o columnas de aislamiento roscadas para mejorar la resistencia a la vibración y al impacto (Figura 1, derecha).
Factores de consideración para la integridad de la señal.
La integridad de la señal describe cómo las señales se distorsionan o atenúan cuando se transmiten de una placa de circuito a otra a través de conectores. Algunos de estos efectos, como la resistencia de contacto, son independientes de la frecuencia y pueden incorporarse y corregirse fácilmente en los cálculos.
Sin embargo, los dos parámetros clave de integridad de la señal relacionados con la frecuencia son el coeficiente de reflexión (ρ) y el coeficiente de transmisión (t) (Figura 2). El coeficiente de transmisión suele expresarse en decibeles (dB) utilizando la pérdida de inserción. El coeficiente de reflexión (pérdida de retorno) es causado por la reflexión de las señales de datos hacia la fuente de la señal cuando se encuentran pasos de valor de impedancia. La pérdida de inserción se utiliza para cuantificar la atenuación de la ruta de transmisión. Ambos dependen de la impedancia del conector (ZCAB) en relación con la impedancia de línea de la placa de PC (Zs).
Tanto la pérdida de retorno como la pérdida de inserción dependen de la impedancia del conector.
Figura 2: La pérdida de retorno y la pérdida de inserción dependen de la impedancia del conector en relación con la impedancia de línea de la placa de PC. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)
La pérdida de transmisión reducirá la amplitud de la señal que pasa a través del conector y es proporcional a la longitud del camino y la estructura geométrica del conector. La diafonía del extremo cercano (NEXT) o la diafonía del extremo lejano (FEXT) también pueden causar cierta pérdida de energía. La pérdida de retorno y el coeficiente de transmisión son parámetros dependientes de la frecuencia que dependen de la diferencia entre la impedancia del conector (simulada como un cable) y la impedancia de la línea de transmisión de la placa de circuito (que se supone que es de 50 Ω en este ejemplo). El coeficiente de reflexión y el coeficiente de transmisión están definidos por las fórmulas que se muestran.
La figura 2 muestra la variación de estos parámetros con la impedancia del conector (cable). Si la impedancia del conector es de 50 Ω, la pérdida de retorno teórica es cero y el coeficiente de transmisión es 100%, lo que indica que no hay pérdida. Si la impedancia del conector se desvía de 50 Ω, los cambios en los parámetros relevantes serán proporcionales al valor de desviación y la frecuencia de la impedancia del conector de 50 Ω. En los conectores, la impedancia depende del material aislante utilizado y de la estructura geométrica de los pines, incluido el ancho, el largo y la distancia (espaciado). Además, el cableado de pines adyacentes también puede influir en ello.
Hay dos configuraciones de cableado comunes para transmitir datos de alta velocidad (Figura 3): una es una estructura de un solo extremo, donde la señal de datos está referenciada a tierra; Otro tipo es la estructura diferencial, que utiliza dos líneas de señal complementarias y la amplitud de la señal de datos es la diferencia de voltaje entre las dos líneas de señal. Las señales diferenciales se utilizan para reducir el ruido y las interferencias en líneas de señal dual. En general, las señales diferenciales se utilizan para aplicaciones con las velocidades de datos más altas. Las señales de datos normalmente se combinan con una o más señales de tierra para reducir la captación de ruido.