如今，地理定位制圖、無人機(jī)(UAV)視頻流、光成像檢測(cè)與測(cè)距(LiDAR)傳感，以及其他數(shù)據(jù)密集型航空應(yīng)用，對(duì)于快速數(shù)據(jù)傳輸有著幾乎無限的需求。飛行員們們希望即時(shí)了解:軌跡是否清晰?方向是否正確?飛行路線上是否存在障礙物?

要想實(shí)時(shí)提供這些問題的答案，嵌入的系統(tǒng)和電子設(shè)備采用的互連技術(shù)就必須比商業(yè)級(jí)解決方案更為強(qiáng)大，同時(shí)支持高速協(xié)議(10Gb以太網(wǎng)、USB3.0、 InfiniBand)和高速總線(VPX、PCI Express-PCIe)。 為了幫助開發(fā)人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，TE總結(jié)了五大設(shè)計(jì)原則，以便利用強(qiáng)大的互連接口支持高速數(shù)據(jù)傳輸并保持信號(hào)的完整性。

保證信號(hào)的完整性

在項(xiàng)目開始的時(shí)候，我們就要將互連接口視為整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，而不是最后一刻才補(bǔ)充考慮。每一個(gè)連接都很重要，因?yàn)槊恳粋€(gè)等級(jí)的電子封裝都要求互連接口能夠保證信號(hào)的完整性。在六個(gè)不同的電子封裝等級(jí)上，每一個(gè)互連接口都必須能夠保證數(shù)據(jù)速率和性能:

·第 1 級(jí):基本電路元件與其引線之間的連接。

·第 2 級(jí):組件引線與印刷電路板(PCB)之間的連接，例如:集成電路(IC)插座。

·第 3 級(jí):兩個(gè)電路板之間的連接，一般是板對(duì)板連接，需要使用一體化卡邊連接器、兩件式連接器或堆疊式連接器。

·第 4 級(jí):兩個(gè)分總成之間的連接，一般使用電線和電纜，當(dāng)設(shè)備在其外殼中有多個(gè)分總成時(shí)則需要使用插頭。

·第 5 級(jí):分總成與系統(tǒng)輸入/輸出(I/O)端口之間的連接，一般通過電纜或直連(例如:板載隔板連接器)方式與分總成連接。

·第 6 級(jí):物理上分離的系統(tǒng)之間的連接，一般使用銅纜或光纖將分離系統(tǒng)的I/O端口與其他設(shè)備、外圍設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接。也可能需要使用天線進(jìn)行無線連接。

實(shí)現(xiàn)信號(hào)路徑的電氣優(yōu)化

信號(hào)進(jìn)出電路或組件時(shí)，其強(qiáng)度都會(huì)有所損耗。這種信號(hào)衰減稱為“插入損耗”，以分貝(dB)計(jì)量，它是每個(gè)互連接口機(jī)電屬性的固有副作用?？偛迦霌p耗是多種因素的共同產(chǎn)物，這些因素包括:阻抗不匹配、導(dǎo)體損耗(信號(hào)線路導(dǎo)體引起的能量損耗)和介電損耗(介電材料本身引起的能量損耗)。

盡管插入損耗無法完全消除，但設(shè)計(jì)人員可以選擇那些對(duì)信號(hào)完整性影響最小的材料和設(shè)計(jì)的互連接口。例如，在高速應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)選用插入損耗額定值為 –1 分貝甚至更低的連接器，以確保足夠的信號(hào)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)人員在確定特定應(yīng)用的可接受通道電平時(shí)，還需要考慮傳輸線路中影響信號(hào)完整性的其他因素。

確保阻抗和路徑長度匹配

當(dāng)互連接口對(duì)電流的電阻或電抗不同于電路的其余部分時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致阻抗不連續(xù)或失配。阻抗失配會(huì)引起信號(hào)反射，從而影響信號(hào)沿線路傳輸時(shí)的完整性。有一種信號(hào)反射叫“回波損耗”，它是由于阻抗失配而被反射回信號(hào)源的能量。

除非組件本身是定制的，否則設(shè)計(jì)人員通常無法更改連接器或電纜的阻抗。因此，我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)通常是使互連接口的阻抗與參考環(huán)境的阻抗相匹配。例如，在75Ω系統(tǒng)中，75Ω連接器比50Ω連接器更具電隱形性。

選擇那些幾何形狀或介電材料能夠盡量降低阻抗失配的觸點(diǎn)、電纜及其他元件，這是保持信號(hào)完整性的第一步。第二步則是統(tǒng)一管理所有組件到組件的過渡區(qū)域， 包括焊點(diǎn)、壓接點(diǎn)和導(dǎo)線到連接器的過渡區(qū)域。盡管我們可以為特定傳輸路徑確定可接受的回波損耗最大值和最小值，但目標(biāo)頻帶內(nèi)的回波損耗值一般都低于–10分貝。

當(dāng)互連接口使用兩個(gè)或多個(gè)并行信號(hào)路徑時(shí)(例如:差分對(duì)信令)，路徑長度也變得很重要。在這種情況下，電氣路徑長度必須精確匹配。否則，每個(gè)信號(hào)通過互連接口傳播花費(fèi)的時(shí)間將會(huì)有所不同，因此而產(chǎn)生的傳播時(shí)延稱為差分對(duì)的“偏移”，它將對(duì)系統(tǒng)時(shí)序產(chǎn)生負(fù)面影響，并將增加插入損耗、阻抗失配和串?dāng)_。

注意串?dāng)_

信號(hào)的完整性是高千兆位數(shù)據(jù)傳輸速率及相應(yīng)千兆赫茲頻率所面臨的主要問題。在較低速度的串行信號(hào)傳輸中，連接器和電纜具有電透明性，對(duì)信號(hào)質(zhì)量影響不大，因?yàn)樾盘?hào)遵循從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的傳輸路徑。但是，由于串行信道進(jìn)行了并行配置以提高數(shù)據(jù)速率，因此會(huì)出現(xiàn)問題。

攻擊信道和附近的并行受害信道的導(dǎo)體之間發(fā)生電感和電容耦合，于是快速變化的電場(chǎng)發(fā)出噪聲，我們稱之為“串?dāng)_”。在高速系統(tǒng)中，近端串?dāng)_(NEXT)和遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)分別影響信號(hào)的發(fā)射端和接收端。布線時(shí)，將電線以180°的方向絞在一起可以使噪聲發(fā)射彼此異相，從而消除噪聲。但是，在較高頻率下，雙絞線電纜必須進(jìn)行屏蔽，以滿足串?dāng)_方面的要求。

對(duì)于高速 I/O 有線連接器，我們還可以采用其他減少串?dāng)_的措施，例如:

·使用特殊設(shè)計(jì)的觸點(diǎn)，而非開放式引腳區(qū)域并排沖壓觸點(diǎn)，因?yàn)楹笳弋a(chǎn)生的平行金屬表面區(qū)域容易發(fā)生串?dāng)_

·優(yōu)化高速差動(dòng)觸點(diǎn)和接地之間的間距

·將重要引腳設(shè)計(jì)為返回路徑(接地)，最大程度地減少不必要的耦合

其他互連和板級(jí)技術(shù)也可用于減少串?dāng)_，這是一個(gè)復(fù)雜的課題，其目標(biāo)是根據(jù)所需的串?dāng)_水平選擇合適的技術(shù)。串?dāng)_水平的范圍為1%-10%，使用時(shí)域反射計(jì)測(cè)量并利用信號(hào)眼圖進(jìn)行分析。

不只是連接器

在追求更高的數(shù)據(jù)速率和更快的頻率時(shí)，每一個(gè)互連接口都很重要。不過，整個(gè)信道的設(shè)計(jì)也非常重要，尤其是在VPX背板中使用的信道。連接器附近優(yōu)化而一致的PCB 特性，對(duì)于保持高速性能極其重要。在電路板設(shè)計(jì)中，對(duì)于提高數(shù)據(jù)速率至關(guān)重要的因素包括:

·電路板材料:介電常數(shù)，玻璃編織布、尺寸和均勻性，銅的光滑度或粗糙度。

·通孔設(shè)計(jì):回鉆，盲孔，埋入式微孔，或雙直徑通孔。

·隔板布局:隔板尺寸，中間設(shè)計(jì)，偏移補(bǔ)償。

·跡線布線:焊盤尺寸，跡線寬度與損耗，跡線至隔板的間隙。

在對(duì)PCB進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)人員不應(yīng)將一切視為理所當(dāng)然。PCB設(shè)計(jì)分析，減小連接器足跡，優(yōu)化通孔，還有采用無短截線的更好PCB材料，這些都可以發(fā)揮作用。

評(píng)估各項(xiàng)因素，確保從背板到盒對(duì)盒連接的無縫集成和信號(hào)完整性，這是一個(gè)復(fù)雜的課題，正如本文探討的互連接口設(shè)計(jì)的其他方面一樣。為了簡化設(shè)計(jì)人員的工作，TE Connectivity提供了一個(gè)高速應(yīng)用開發(fā)套件，其中涵蓋了關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素和互連產(chǎn)品選項(xiàng)。

通過該套件的在線菜單，我們可以快速獲取I/O有線、板對(duì)板、射頻(RF)連接器以及電纜和光纖的產(chǎn)品規(guī)格、圖紙和目錄。該工具使得設(shè)計(jì)人員能夠主動(dòng)采取措施，滿足嚴(yán)苛的國防和航空航天應(yīng)用對(duì)于速度的需求。

作者簡介

Matt擁有機(jī)械工程學(xué)位，在航空航天、國防和電子計(jì)算行業(yè)積累了23年以上的豐富經(jīng)驗(yàn)。Matt擁有超過35項(xiàng)連接方面的技術(shù)專利。

*TE Connectivity, TE, TE Connectivity標(biāo)識(shí)是TE Connectivity擁有或許可的商標(biāo)。