Nei sistemi elettronici si riscontrano le più svariate forme di segnali: record di dati trasmessi da un DVD ad un disco rigido, impulsi al quarzo che azionano la lancetta dei secondi dell'orologio, telefonate dal cellulare verso un telefono che si trova in un punto qualsiasi nel mondo. Nell'ambito dei connettori elettronici destinati a velocità di trasmissione elevate (misurate in Gigabit al secondo = Gbps) i segnali sono trasmessi attraverso rame, fibre ottiche, oppure onde radio da un chip trasmettitore a un chip ricevitore. L'integrità di segnale equivale a una sufficiente qualità del segnale presso il ricevitore. Per poter garantire questa qualità, il percorso di trasmissione (channel) dal trasmettitore al ricevitore deve soddisfare alcune condizioni al contorno, come ad esempio bassa insertion loss, la bassa return loss o il basso crosstalk. Quali condizioni devono essere soddisfatte e in che misura ciò avvenga viene determinato dal protocollo di trasmissione utilizzato e dai semiconduttori impiegati.
Attualmente il mercato dei sistemi Multigigabit è dominato da soluzioni basate su backplane. Con questa soluzione il segnale, generato su una scheda modulare, viene trasmesso attraverso un connettore sul backplane e da qui viene trasmesso attraverso un ulteriore connettore su una scheda modulare adiacente su cui si trova il ricevitore.
Per questo tipo di trasmissione possono essere utilizzati diversi protocolli di trasmissione con differenti velocità di trasmissione per percorso:
− PCI Express @ 2,5G bps, 5 Gbps;
− Serial Rapid IO @ 6,25 Gbps;
− Standard Ethernet;
− IEEE802.3ap (10GBASE-KX4) @ 4 x 3,125 Gbps;
− IEEE802.3ap (10GBASE-KR) @ 10 Gbps.
I requisiti minimi richiesti al segnale in ingresso e in uscita del percorso di trasmissione sono molto differenti. In più, non sono previste specifiche di alcun genere per quel che riguarda la condizione fisica del channel (schede modulari, backplane, connettori, ecc.). Di conseguenza, ogni sistema deve essere esaminato separatamente.
HARTING è impegnata all'interno del PICMG (PCI Industrial Computers Manufacturing Group), composto da circa 40 imprese del panorama internazionale, per la definizione della specifica PICC (PICMG Interconnect Channel Characterization), che stabilisce le regole base e le definizioni riguardanti il canale di trasmissione. In questa sede sono definiti ad esempio i singoli componenti del channel in modo da ottenere interfacce standardizzate per simulazioni e misurazioni comportando, da un lato, una sostituibilità dei modelli di simulazione elettrici di singoli elementi del canale e, dall'altro, la paragonabilità delle misurazioni.
Influenza del connettore
sul comportamento del channel
Importanti fattori d'influenza sulla qualità di un canale backplane sono la return loss, la insertion loss e il crosstalk.
La return loss dipende principalmente dal mantenimento dell'impedenza di sistema e dai materiali utilizzati, il crosstalk viene generato dall'accoppiamento induttivo e capacitivo dei percorsi di segnale. Il canale di un sistema basato su backplane è composto in gran parte di piste di circuiti stampati. Queste possono essere adattate facilmente ai rispettivi requisiti di sistema per quel che riguarda l'impedenza (geometrie delle piste) e il crosstalk (distanza tra le piste). Le insertion loss possono essere limitate, minimizzando le lunghezze delle piste e utilizzando, per le schede dei circuiti stampati, materiali a bassa perdita. In questi canali i connettori offrono solo pochi gradi di libertà. In seguito alla complessità dei singoli componenti, l'impedenza all'interno di un connettore non è costante.
L'effettiva impedenza delle terminazioni (press fit, through hole, oppure surface mount) si rivela solo in combinazione alla scheda. Deviazioni di impedenza comportano riflessioni di segnale e, pertanto, un peggioramento delle perdite di inserzione. Il crosstalk dipende dalla distanza delle parti che trasmettono il segnale. Ciò si contrappone alla tendenza di avere densità di segnali sempre maggiori per i connettori. Spesso è possibile minimizzare il crosstalk con una disposizione abile dei pin. Le insertion loss sono relativamente basse in seguito alle corte lunghezze di contatto.
Quali sono le caratteristiche costruttive di un connettore high-speed?
Impedenza: con un'accurata progettazione delle geometrie di contatto deve essere creato un profilo di impedenza più piatto possibile. Poiché i segnali Multigigabit sono eseguiti quasi esclusivamente in LVDS (Low Voltage Differential Signaling), i contatti devono essere disposti in modo da ottenere un'impedenza differenziale di 100 Ω. Singoli contatti dovrebbero presentare possibilmente un'impedenza di 50 Ω per consentire anche una buona trasmissione di segnali standard. Un ulteriore vantaggio sarebbe dato dalla possibilità di raggiungere un'impedenza di 75 Ω (che si trova ancora in molti sistemi).
Crosstalk: se le distanze tra i contatti non sono sufficienti, una schermatura dei contatti di segnale potrà migliorare il comportamento di crosstalk.
Influenza delle terminazioni: specialmente in caso di elevate densità di contatti la causa principale di discontinuità impedenza e di crosstalk è localizzata nell'area di connessione del connettore sulla scheda. Connessioni passanti più piccole possibile sulla scheda. L'uso di fori passanti di piccole dimensioni è la soluzione migliore a tale problema per due motivi: da una parte per ridurre a un minimo il comportamento capacitivo della connessione passante e, dall'altra parte, per consentire uno spazio massimo possibile per le piste tra le connessioni passanti. In più, piccoli diametri dei fori permettono una distanza maggiore tra le connessioni passanti, riducendo il crosstalk. Specialmente nel caso di connettori backplane, uno spazio sufficiente per le piste nel campo di connessione è di particolare importanza per l'integrità del segnale perché, in seguito alle condizioni di spazio ridotte, su un backplane gran parte delle piste deve attraversare campi di connessione. Quante più piste potranno scorrere una accanto all'altra sullo stesso strato, tanti meno strati saranno richiesti complessivamente e tanto minore sarà l'effetto stub.
Effetti stub dei connettori
I cosiddetti effetti stub (ingl. = troncone) descrivono riflessioni di segnale risultanti da tronchi di linee (derivazioni elettriche superflue dai percorsi di segnale).
Quasi su ogni connettore e sulla maggior parte delle schede si presentano inevitabilmente questi tronchi di linee. Gli effetti possono essere spesso ridotti, adottando le rispettive tecnologie idonee. Il fattore decisivo è rappresentato dalla proporzionalità di queste misure.
All'interno di un connettore questi effetti compaiono in due punti: nella zona di fissaggio del contatto e nella zona di contatto. Il fissaggio del contatto dipende solamente dal design del connettore ed è quindi ben controllabile. In caso di un connettore molto semplice il contatto è dotato ad esempio di una parte che si innesta nel corpo isolante. Un segnale trasmesso attraverso questo contatto si divide al piede del montante di supporto.
La parte del segnale che entra nel montante viene riflessa completamente alla sua estremità. Questo segnale riflesso si divide a sua volta al piede del contatto in direzione di trasmettitore e ricevitore e si sovrappone qui al segnale utile. Un altro esempio sarebbe di supportare il contatto con un rivestimento isolante. In tal caso si potrà rinunciare in gran parte ai montanti di supporto. Gli effetti stub nella zona di contatto sono determinati in gran parte dal design meccanico del sistema in cui il connettore verrà successivamente destinato. In quasi tutti i sistemi backplane, dopo inserimento i moduli sono fissati sul pannello frontale. Di conseguenza, le distanze tra il pannello frontale e il connettore sul lato modulo, nonché tra l'arresto del pannello frontale e il connettore sul lato backplane, determinano a che profondità i partner di connessione sono inseriti l'uno nell'altro. Il connettore viene progettato in modo da fornire sempre un contatto sicuro, indipendentemente dalle tolleranze del sistema. Ciò significa che la profondità di inserimento potrà anche variare per più di 2 mm.
In tal modo, tuttavia, la parte in eccesso del contatto diventa un tronco di linea (Fig. 3) che, a seconda della profondità di inserimento, provoca riflessioni più o meno disturbanti.
Le singole mollette ricurve del contatto generano anche un effetto stub. La dimensione richiesta per queste mollette è limitata dalle tolleranze raggiungibili nella produzione dei singoli componenti del connettore. Altri effetti stub sono riscontrati soprattutto nella tecnologia di connessione, nel caso di sistemi backplane, quindi nel circuito stampato.
È consueto l'uso di backplane multilayer con 24 strati ma, a volte, si superano i 30 strati. In base all'applicazione, lo spessore dei pcb varia perciò normalmente tra 2,4 mm e 5 mm. I piani di segnale sono distribuiti simmetricamente nella struttura a strati. Ciò significa però che le connessioni passanti formano dei tronchi di linee, in dipendenza del piano di segnale. Connettori a montaggio superficiale offrono la possibilità di utilizzare fori ciechi - dalla superficie fino allo strato del segnale - invece di contatti through hole. Le schede che usano questa tecnologia spesso sono però molto più costose e meno affidabili. Con la tecnologia di press-in si ha la possibilità di rimuovere la parte “superflua” della connessione passante con il “backdrilling”. A conclusione della produzione della scheda le corrispondenti connessioni passanti sono perforati dal retro con un diametro maggiore e a profondità controllata.
Così la bussola effettiva rimanente si estende solo ancora dalla superficie fino a poco sotto il piano di segnale. La premessa per questa procedura è una zona di press-in del connettore adeguatamente adattata, poiché la zona di contatto deve trovarsi completamente all'interno della bussola di rame rimanente sulla scheda. Lo sviluppo di connettori per il settore Multigigabit rappresenta una delle maggiori sfide nel campo dei componenti elettromeccanici. HARTING ha affrontato questa sfida. Per ottenere una buona integrità del segnale servono soprattutto conoscenze molto precise dei sistemi in cui i connettori sono impiegati.
