eng
Выпуск #3/2024
В. Шаломанов, Д. Баканин
ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ПАРЫ НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ ДЛЯ МОДУЛЬНОГО СОЕДИНИТЕЛЯ
ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ПАРЫ НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ ДЛЯ МОДУЛЬНОГО СОЕДИНИТЕЛЯ
Просмотры: 706
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.234.3.142.146
Компания «Радиант-ЭК» в рамках импортозамещения осваивает номенклатуру модульного высокоскоростного соединителя, соответствующего международному стандарту VPX, с монтажом на плату методом запрессовки по технологии Press Fit.
Компания «Радиант-ЭК» в рамках импортозамещения осваивает номенклатуру модульного высокоскоростного соединителя, соответствующего международному стандарту VPX, с монтажом на плату методом запрессовки по технологии Press Fit.
Теги: differential pairs high-speed data transfer printed circuit boards высокоскоростная передача данных дифференциальные пары печатные платы
Высокоскоростные дифференциальные пары на печатной плате для модульного соединителя
В. Шаломанов, Д. Баканин
Компания «Радиант-ЭК» в рамках импортозамещения осваивает номенклатуру модульного высокоскоростного соединителя, соответствующего международному стандарту VPX, с монтажом на плату методом запрессовки по технологии Press Fit. Рассмотрено моделирование печатной платы с дифференциальными парами для оценки скорости передачи данных.
Сростом объемов обрабатываемой и передаваемой информации становится все более актуальной проблема высокоскоростной передачи данных. Высокоскоростная передача данных, как правило, предполагает наличие между узлами линии передач соединения с высокой пропускной способностью [1]. Высокой пропускной способностью обладают дифференциальные пары на печатных платах. В дифференциальной паре два сигнала передаются одновременно по двум проводникам, но с противоположными направлениями тока или фазы.
В данной статье рассматривается моделирование составной части высокоскоростного соединителя АО «Радиант-ЭК». Составная часть представляет собой печатную плату с двумя дифференциальными парами для передачи сигнала со скоростью до 10 Гбит/с (рис. 1) на каждую пару. Разрабатываемый отечественный соединитель является полным аналогом и предназначен для замены импортного модульного соединителя серии MultiGig RT2 фирмы TycoElectronics (США), который представлен на рис. 2 [2].
Печатная плата представляет собой двухслойный ламинат, с дифференциальными парами на верхнем слое, на нижнем – земляной полигон (рис. 3). Материал платы подобран таким образом, чтобы удовлетворить конструктивные особенности (толщина платы играет огромную роль в сборке высокоскоростного соединителя, а также для обеспечения требуемой скорости передачи данных). Плата имеет в своем составе краевые разъемы, покрытые жестким золотом, что позволяет продлить срок службы. Толщина платы 0,32 мм (рис. 4).
Согласование по импедансу
В системах высокоскоростной передачи данных стандартной практикой является использование соединителей, согласованных по импедансу. Это необходимо для минимизации отражений сигнала, точной передачи его амплитуды и максимизации мощности на принимающей стороне. Для обеспечения целостности передаваемого сигнала важно поддерживать волновое сопротивление линии передачи, включающей в себя дифференциальные пары, по величине примерно 100 Ом. Несоответствие данному требованию приводит к неоднородности в тракте передачи, что вызывает искажения сигнала в линии.
Моделирование волнового сопротивления (импеданса) дифференциальной пары можно проводить в САПР для расчета.
В представленном изделии имеется двухсторонняя печатная плата с дифференциальными парами на верхнем слое.
Для расчета волнового сопротивления необходимо задать:
По результатам расчета получаем волновое сопротивление (импеданс) Zдифференциальное = 96,86 (табл. 1). В представленном случае, когда имеется неоднородность в виде разной ширины краевых разъемов и дифференциальных печатных проводников, волновое сопротивление можно считать допустимым. Плюс ко всему, изготовители печатных плат дают допуск на импеданс, равный ±10%.
Скорость передачи данных
Скорость передачи данных – это количество информации (в битах или байтах), которое может быть передано через сеть или канал связи за определенное время.
В представленной печатной плате скорость передачи данных 10 Гбит/с должна обеспечиваться одной дифференциальной парой. Моделировать измерение скорости передачи данных необходимо косвенным путем через вносимые потери и полосу пропускания сигнала.
Важно установить взаимосвязь между полосой пропускания канала ∆F и скоростью передачи данных. В 1928 году американский физик Г. Найквист доказал, что в идеальном канале (без шумов) с полосой ∆F (Гц) можно передавать информацию со скоростью в два раза большей, то есть C0 = 2∆F бит/с.
Так, например, канал с частотой пропускания в 6 кГц не может передавать двоичные (то есть двухуровневые) сигналы на скорости, превосходящей 12 кбит/с [3].
Если взять за основу, что 1 дБ вносимых потерь – это сигнал практически без шумов, то можно использовать данную формулу для того, чтобы получить сигнал со ско-
ростью 10 Гбит/с. Для этого необходимо получить график вносимых потерь по уровню 1 дБ на частотах свыше 5 ГГц.
В САПР для расчета можно провести моделирование вносимых потерь для оценки скорости передачи данных.
Для этого необходимо подгрузить печатную плату и выставить компоненты, для того чтобы установить порты запуска и приема сигнала.
Для линий связи (nets с названиями NONE) необходимо задать параметры дифференциальной пары. И создать два компонента, размещая их таким образом, чтобы контактные площадки были на этих дифференциальных парах (рис. 5).
Компоненты имеют параметры устройства ввода и вывода (I/O Device -Input/Output Device). Контактные площадки (Component 1 и 2) привязываются к дорожкам (NONE_4 и NONE_5) (рис. 6).
Компонент создается так, чтобы его выводы привязывались к необходимым печатным проводникам (component 1 привязывается к проводнику NONE_4 и обозначается как дифференциальный вывод №2) (рис. 7).
В итоге получается схема расчета (рис. 8), которая учитывает все необходимые факторы: материал, топологию печатной платы, точки подключения к краевым разъемам.
Моделирование вносимых потерь проводится в вычислителе в частотной области (FD).
САПР поддерживает целый набор частотных вычислителей, специализирующихся на различных классах задач. Они отличаются не только численными методами решения, но и типом расчетной сетки. Вычислители в частотной области общего назначения могут работать как на гексагональном, так и на тетрагональном сеточном разбиении.
Создание сетки является одним из важных этапов при использовании метода конечных элементов для моделирования. Сетка состоит из элементов, каждый из которых имеет узлы с определенными координатами в пространстве. Эти элементы формируют геометрию модели. Для правильной работы сетки в решателе конечных элементов необходимо использовать элементы с заданными формами, например кубы. Процесс создания сетки заключается в преобразовании неправильных форм в более правильные элементы.
Вычислитель в частотной области решает задачу поля для определения значений S-параметров в различных частотных точках. Полученные значения S-параметров затем используются для проведения свипирования (периодического изменения частоты колебаний) полосы частот и расчета непрерывного спектра. Настройки частотного вычислителя по умолчанию автоматически определяют необходимое количество и расположение частотных точек, чтобы достичь требуемой точности во всем диапазоне частот.
Возможность использования вычислителя в частотной области в рамках единой оболочки может быть очень удобным и простым способом получения необходимых результатов [4].
После проведения моделирования в вычислителе в частотной области (FD) и оптимизации конструкции путем изменения топологии печатной платы с дифференциальными парами, а также изменения положения точки подключения к краевым разъемам, были получены результаты, указанные на рис. 9.
Из расчета видно, что вносимые потери по уровню 1 дБ на частотах до 9 ГГц, что в свою очередь говорит о прохождении сигнала на скорости до 18 Гбит/с.
Оптимизация конструкции проходила разными способами:
Изменение точки подключения к краевым разъемам (рис. 10).
При подключении компонента к краевым разъемам, особенно в нижней части конструкции, необходимо его располагать как можно ближе к дифференциальной паре, в свою очередь необходимо учесть конструкцию изделия в целом, будет ли такое возможно. Вносимые потери указаны на рис. 11 и 12.
Изменение топологии платы таким образом, чтобы волновое сопротивление печатного проводника (50 Ом), входящего в дифференциальную пару, и волновое сопротивление краевого разъема были близки по значению для уменьшения вносимых потерь.
Были проработаны два варианта топологии дифференциальных пар: со скругленными углами и с углами под 135⁰ без скруглений.
По результатам моделирования можно сделать вывод, что уменьшение вносимых потерь происходит в том случае, когда точка подключения к краевому разъему находится ближе к дифференциальной паре. Это связано с уменьшением неоднородности, которую преодолевает сигнал при прохождении от одного входного порта к выходному.
Изменение топологии
При моделировании вносимых потерь были проработаны варианты с углами под 135⁰ без скруглений (рис. 13).
Скругленные дифференциальные пары имеют минимальное количество неоднородностей вдоль печатного проводника, что приводит к уменьшению вносимых потерь (рис. 14 и 15).
Оптимизация также осуществлялась изменением топологии платы так, чтобы волновое сопротивление печатного проводника (50 Ом) и волновое сопротивление краевого разъема были близки (рис. 16). Для этого необходимо добавить скругление на место подключения печатного проводника дифференциальной пары к краевому разъему.
Также можно провести моделирование глазковой диаграммы как пост-процесс расчета S-параметров. Для этого необходимо задать параметры расчета: кодирование, длительность и др., и на выходе получится глазковая диаграмма на скорости 10 Гбит/с (рис. 17) [5].
В рамках импортозамещения, имея существенный научно-технический задел в области радиоэлектроники, компания АО «Радиант-ЭК» в данный момент занимается разработкой и освоением серийного производства межплатного модульного высокоскоростного соединителя, предназначенного для построения современных высокопроизводительных систем передачи данных между периферийными и несущими платами, магистральные соединительные шины которых соответствуют стандарту VPX (VITA 46). Направление данной работы является перспективным и соответствует «Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года».
Разрабатываемый отечественный соединитель является полным аналогом импортного модульного соединителя серии MultiGig RT2 фирмы TycoElectronics (США) и предназначен для его замены.
Изготовление соединителя планируется в первой половине 2024 года.
ЛИТЕРАТУРА
Тхорик А. Технология будущего, доступная уже сегодня // Мир автоматизации. 2009. №8. С. 28–32.
Баканин Д.В., Шаломанов В.И. Отечественный модульный высокоскоростной соединитель стандарта VPX (VITA 46) от АО «Радиант-ЭК» // Электронные компоненты. 2023. №2. С. 56–60.
Формула Найквиста https://anapagis.ru/chto-takoye-formula-naykvista/SIMULIA CST Studio Suite – описание вычислителей https://eurointech.ru/eda/microwave_design/cst/CST-Solvers.phtml.
Основы глазковой диаграммы: чтение и применение глазковых диаграмм https://radioprog.ru/post/681.
В. Шаломанов, Д. Баканин
Компания «Радиант-ЭК» в рамках импортозамещения осваивает номенклатуру модульного высокоскоростного соединителя, соответствующего международному стандарту VPX, с монтажом на плату методом запрессовки по технологии Press Fit. Рассмотрено моделирование печатной платы с дифференциальными парами для оценки скорости передачи данных.
Сростом объемов обрабатываемой и передаваемой информации становится все более актуальной проблема высокоскоростной передачи данных. Высокоскоростная передача данных, как правило, предполагает наличие между узлами линии передач соединения с высокой пропускной способностью [1]. Высокой пропускной способностью обладают дифференциальные пары на печатных платах. В дифференциальной паре два сигнала передаются одновременно по двум проводникам, но с противоположными направлениями тока или фазы.
В данной статье рассматривается моделирование составной части высокоскоростного соединителя АО «Радиант-ЭК». Составная часть представляет собой печатную плату с двумя дифференциальными парами для передачи сигнала со скоростью до 10 Гбит/с (рис. 1) на каждую пару. Разрабатываемый отечественный соединитель является полным аналогом и предназначен для замены импортного модульного соединителя серии MultiGig RT2 фирмы TycoElectronics (США), который представлен на рис. 2 [2].
Печатная плата представляет собой двухслойный ламинат, с дифференциальными парами на верхнем слое, на нижнем – земляной полигон (рис. 3). Материал платы подобран таким образом, чтобы удовлетворить конструктивные особенности (толщина платы играет огромную роль в сборке высокоскоростного соединителя, а также для обеспечения требуемой скорости передачи данных). Плата имеет в своем составе краевые разъемы, покрытые жестким золотом, что позволяет продлить срок службы. Толщина платы 0,32 мм (рис. 4).
Согласование по импедансу
В системах высокоскоростной передачи данных стандартной практикой является использование соединителей, согласованных по импедансу. Это необходимо для минимизации отражений сигнала, точной передачи его амплитуды и максимизации мощности на принимающей стороне. Для обеспечения целостности передаваемого сигнала важно поддерживать волновое сопротивление линии передачи, включающей в себя дифференциальные пары, по величине примерно 100 Ом. Несоответствие данному требованию приводит к неоднородности в тракте передачи, что вызывает искажения сигнала в линии.
Моделирование волнового сопротивления (импеданса) дифференциальной пары можно проводить в САПР для расчета.
В представленном изделии имеется двухсторонняя печатная плата с дифференциальными парами на верхнем слое.
Для расчета волнового сопротивления необходимо задать:
- слой, по которому будет проходить сигнал;
- материал платы, который необходимо подгрузить с САПР, где была оттрассирована печатная плата;
- ширину печатных проводников и зазор между проводниками, которые входят в состав дифференциальной пары.
По результатам расчета получаем волновое сопротивление (импеданс) Zдифференциальное = 96,86 (табл. 1). В представленном случае, когда имеется неоднородность в виде разной ширины краевых разъемов и дифференциальных печатных проводников, волновое сопротивление можно считать допустимым. Плюс ко всему, изготовители печатных плат дают допуск на импеданс, равный ±10%.
Скорость передачи данных
Скорость передачи данных – это количество информации (в битах или байтах), которое может быть передано через сеть или канал связи за определенное время.
В представленной печатной плате скорость передачи данных 10 Гбит/с должна обеспечиваться одной дифференциальной парой. Моделировать измерение скорости передачи данных необходимо косвенным путем через вносимые потери и полосу пропускания сигнала.
Важно установить взаимосвязь между полосой пропускания канала ∆F и скоростью передачи данных. В 1928 году американский физик Г. Найквист доказал, что в идеальном канале (без шумов) с полосой ∆F (Гц) можно передавать информацию со скоростью в два раза большей, то есть C0 = 2∆F бит/с.
Так, например, канал с частотой пропускания в 6 кГц не может передавать двоичные (то есть двухуровневые) сигналы на скорости, превосходящей 12 кбит/с [3].
Если взять за основу, что 1 дБ вносимых потерь – это сигнал практически без шумов, то можно использовать данную формулу для того, чтобы получить сигнал со ско-
ростью 10 Гбит/с. Для этого необходимо получить график вносимых потерь по уровню 1 дБ на частотах свыше 5 ГГц.
В САПР для расчета можно провести моделирование вносимых потерь для оценки скорости передачи данных.
Для этого необходимо подгрузить печатную плату и выставить компоненты, для того чтобы установить порты запуска и приема сигнала.
Для линий связи (nets с названиями NONE) необходимо задать параметры дифференциальной пары. И создать два компонента, размещая их таким образом, чтобы контактные площадки были на этих дифференциальных парах (рис. 5).
Компоненты имеют параметры устройства ввода и вывода (I/O Device -Input/Output Device). Контактные площадки (Component 1 и 2) привязываются к дорожкам (NONE_4 и NONE_5) (рис. 6).
Компонент создается так, чтобы его выводы привязывались к необходимым печатным проводникам (component 1 привязывается к проводнику NONE_4 и обозначается как дифференциальный вывод №2) (рис. 7).
В итоге получается схема расчета (рис. 8), которая учитывает все необходимые факторы: материал, топологию печатной платы, точки подключения к краевым разъемам.
Моделирование вносимых потерь проводится в вычислителе в частотной области (FD).
САПР поддерживает целый набор частотных вычислителей, специализирующихся на различных классах задач. Они отличаются не только численными методами решения, но и типом расчетной сетки. Вычислители в частотной области общего назначения могут работать как на гексагональном, так и на тетрагональном сеточном разбиении.
Создание сетки является одним из важных этапов при использовании метода конечных элементов для моделирования. Сетка состоит из элементов, каждый из которых имеет узлы с определенными координатами в пространстве. Эти элементы формируют геометрию модели. Для правильной работы сетки в решателе конечных элементов необходимо использовать элементы с заданными формами, например кубы. Процесс создания сетки заключается в преобразовании неправильных форм в более правильные элементы.
Вычислитель в частотной области решает задачу поля для определения значений S-параметров в различных частотных точках. Полученные значения S-параметров затем используются для проведения свипирования (периодического изменения частоты колебаний) полосы частот и расчета непрерывного спектра. Настройки частотного вычислителя по умолчанию автоматически определяют необходимое количество и расположение частотных точек, чтобы достичь требуемой точности во всем диапазоне частот.
Возможность использования вычислителя в частотной области в рамках единой оболочки может быть очень удобным и простым способом получения необходимых результатов [4].
После проведения моделирования в вычислителе в частотной области (FD) и оптимизации конструкции путем изменения топологии печатной платы с дифференциальными парами, а также изменения положения точки подключения к краевым разъемам, были получены результаты, указанные на рис. 9.
Из расчета видно, что вносимые потери по уровню 1 дБ на частотах до 9 ГГц, что в свою очередь говорит о прохождении сигнала на скорости до 18 Гбит/с.
Оптимизация конструкции проходила разными способами:
Изменение точки подключения к краевым разъемам (рис. 10).
При подключении компонента к краевым разъемам, особенно в нижней части конструкции, необходимо его располагать как можно ближе к дифференциальной паре, в свою очередь необходимо учесть конструкцию изделия в целом, будет ли такое возможно. Вносимые потери указаны на рис. 11 и 12.
Изменение топологии платы таким образом, чтобы волновое сопротивление печатного проводника (50 Ом), входящего в дифференциальную пару, и волновое сопротивление краевого разъема были близки по значению для уменьшения вносимых потерь.
Были проработаны два варианта топологии дифференциальных пар: со скругленными углами и с углами под 135⁰ без скруглений.
По результатам моделирования можно сделать вывод, что уменьшение вносимых потерь происходит в том случае, когда точка подключения к краевому разъему находится ближе к дифференциальной паре. Это связано с уменьшением неоднородности, которую преодолевает сигнал при прохождении от одного входного порта к выходному.
Изменение топологии
При моделировании вносимых потерь были проработаны варианты с углами под 135⁰ без скруглений (рис. 13).
Скругленные дифференциальные пары имеют минимальное количество неоднородностей вдоль печатного проводника, что приводит к уменьшению вносимых потерь (рис. 14 и 15).
Оптимизация также осуществлялась изменением топологии платы так, чтобы волновое сопротивление печатного проводника (50 Ом) и волновое сопротивление краевого разъема были близки (рис. 16). Для этого необходимо добавить скругление на место подключения печатного проводника дифференциальной пары к краевому разъему.
Также можно провести моделирование глазковой диаграммы как пост-процесс расчета S-параметров. Для этого необходимо задать параметры расчета: кодирование, длительность и др., и на выходе получится глазковая диаграмма на скорости 10 Гбит/с (рис. 17) [5].
В рамках импортозамещения, имея существенный научно-технический задел в области радиоэлектроники, компания АО «Радиант-ЭК» в данный момент занимается разработкой и освоением серийного производства межплатного модульного высокоскоростного соединителя, предназначенного для построения современных высокопроизводительных систем передачи данных между периферийными и несущими платами, магистральные соединительные шины которых соответствуют стандарту VPX (VITA 46). Направление данной работы является перспективным и соответствует «Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года».
Разрабатываемый отечественный соединитель является полным аналогом импортного модульного соединителя серии MultiGig RT2 фирмы TycoElectronics (США) и предназначен для его замены.
Изготовление соединителя планируется в первой половине 2024 года.
ЛИТЕРАТУРА
Тхорик А. Технология будущего, доступная уже сегодня // Мир автоматизации. 2009. №8. С. 28–32.
Баканин Д.В., Шаломанов В.И. Отечественный модульный высокоскоростной соединитель стандарта VPX (VITA 46) от АО «Радиант-ЭК» // Электронные компоненты. 2023. №2. С. 56–60.
Формула Найквиста https://anapagis.ru/chto-takoye-formula-naykvista/SIMULIA CST Studio Suite – описание вычислителей https://eurointech.ru/eda/microwave_design/cst/CST-Solvers.phtml.
Основы глазковой диаграммы: чтение и применение глазковых диаграмм https://radioprog.ru/post/681.
Отзывы читателей
