5 princípios de design para a aplicação de interconexões robustas para aplicativos com muitos dados

A necessidade atual de velocidades rápidas de dados em mapeamento de geolocalização, streaming de vídeo de veículos aéreos não tripulados (UAV), detecção e alcance de imagens de luz (LiDAR) e outras aplicações militares e aeroespaciais com uso intensivo de dados é praticamente ilimitada. Os soldados querem saber imediatamente:a trilha está livre? Esta é a direção certa? Existe um obstáculo na trajetória de vôo?

Para fornecer respostas em tempo real, os sistemas embarcados e dispositivos eletrônicos devem empregar tecnologias de interconexão mais robustas do que as soluções de nível comercial, ao mesmo tempo em que oferecem suporte a protocolos de alta velocidade (10 Gigabit Ethernet, USB 3.0, InfiniBand), bem como barramentos rápidos (VPX, PCI Express-PCIe). Para ajudar os desenvolvedores a enfrentar esses desafios, esta breve visão geral descreve cinco princípios de design para a aplicação de interconexões robustas que podem suportar altas velocidades e manter alta integridade de sinal.

1. Siga o caminho completo do sinal

No início de um projeto, é valioso ver as interconexões de forma holística como parte do sistema, em vez de uma reflexão tardia. CADA CONEXÃO CONTA. Isso porque cada nível de embalagem eletrônica impõe demandas exclusivas sobre a capacidade da interconexão de manter a integridade do sinal. Cada interconexão é necessária para manter as taxas de dados e o desempenho em cada um dos seis níveis diferentes de embalagem eletrônica:

• Nível 1: Conexões entre um elemento de circuito básico e seus condutores.
  

• Nível 2: Conexões entre os fios do componente e uma placa de circuito impresso (PCB), como soquetes de circuito integrado (IC).
  

• Nível 3: Conexões entre duas placas de circuito, normalmente conexões placa a placa, que incluem conectores de borda de placa de uma peça e conectores de duas peças e conectores de empilhamento.
  

• Nível 4: Conexões entre dois subconjuntos, geralmente envolvendo fios e cabeamento, ou cabeçalhos quando um dispositivo requer mais de um subconjunto em seu alojamento.
  

• Nível 5: Conexões de um subconjunto para as portas de entrada / saída (I / O) do sistema, normalmente envolvendo conexões para subconjuntos usando cabos ou conexão direta (como um conector de anteparo de montagem em placa).
  

• Nível 6: Conexões entre sistemas separados fisicamente, geralmente empregando cabeamento de cobre ou fibra óptica para conectar portas de E / S de sistemas separados a outros dispositivos, periféricos e switches de rede. Também pode envolver conexão sem fio usando antenas.
  

2. Visar um caminho eletricamente otimizado

Sempre que um sinal entra e sai de um circuito ou componente, ele perde força. A degradação do sinal resultante - conhecida como “perda de inserção”, medida em decibéis (dB) - é um efeito colateral inerente das propriedades eletromecânicas em cada interconexão. A perda total de inserção é um produto de vários fatores, incluindo incompatibilidades de impedância, perda de condutor (energia perdida devido ao condutor na linha de sinal) e perda dielétrica (energia perdida devido ao próprio material dielétrico).

Embora a perda de inserção não possa ser eliminada, o projetista pode selecionar interconexões usando materiais e projetos que minimizam o impacto na integridade do sinal. Em aplicações de alta velocidade, por exemplo, os projetistas normalmente buscam conectores com uma classificação de perda de inserção de -1 dB ou menos para garantir a força de sinal adequada. O projetista precisa determinar os níveis de canal aceitáveis ​​para uma determinada aplicação em vista de outros fatores na linha de transmissão que afetam a integridade do sinal.

3. Certifique-se de que a impedância e os comprimentos do caminho correspondem

Quando uma interconexão exibe resistência ou reatância à corrente elétrica diferente do resto do circuito, ela causa uma descontinuidade ou incompatibilidade de impedância. Uma incompatibilidade de impedância pode criar reflexos de sinal que afetam a integridade do sinal conforme ele viaja pela linha de transmissão. Uma forma de reflexão do sinal é a “perda de retorno”, que é a energia refletida de volta para a fonte devido à incompatibilidade de impedância.

Um projetista geralmente não pode alterar a impedância em um conector ou cabo, a menos que o próprio componente seja personalizado. Portanto, o objetivo do projeto é geralmente combinar a impedância da interconexão com a impedância do ambiente de referência. Por exemplo, um conector 75-Ω será mais eletricamente invisível em um sistema 75-Ω do que um conector 50-Ω.

Selecionar contatos, cabos e outros elementos com geometrias físicas ou materiais dielétricos que minimizam as descontinuidades de impedância é o primeiro passo para manter a integridade do sinal. A segunda etapa é garantir que todas as áreas de transição de componente para componente sejam gerenciadas com consistência. Essas áreas incluem juntas de solda, crimpagens e regiões de transição de fio para conector. Valores de perda de retorno abaixo de –10 dB na banda de frequência alvo é um objetivo típico, embora valores máximos e mínimos aceitáveis ​​possam ser determinados para um determinado caminho de transmissão.

O comprimento do caminho também é importante quando dois ou mais caminhos de sinal paralelos são usados ​​na interconexão, como na sinalização de par diferencial. Nesse caso, os comprimentos do caminho elétrico devem ser combinados com precisão. Caso contrário, o tempo que cada sinal leva para se propagar pela interconexão será diferente. O atraso de propagação resultante, conhecido como "inclinação" no par diferencial, terá um impacto negativo na sincronização do sistema, além de aumentar a perda de inserção, incompatibilidade de impedância e diafonia.