Улучшение параметров микрокоаксиальных разъемов

Передача высокочастотных и высокоскоростных сигналов с крутыми фронтами порождает немало проблем при разработке топологии печатных плат и разъемных соединений. О последних и пойдет речь в нашей короткой статье — мы рассмотрим пример передачи данных от микросхемы ASIC порту ввода/вывода платы.

На рис. 1 показаны два способа передачи микросхемой высокочастотного сигнала разъему. Традиционный способ передачи сигнала с помощью проводников печатной платы представлен на рис. 1а. Однако на платах с высокой плотностью компонентов такой способ может оказаться неоптимальным из-за увеличения длины полупроводника и наличия переходных отверстий. Последние вызывают изменения импеданса линии и искажения сигнала.

Рис. 1. Передача высокочастотного сигнала от микросхемы к разъему с помощью:
а) проводников печатной платы;
б) через кабельную перемычку

Альтернативный вариант представлен на рис. 1б. В этом случае сигнал передается напрямую посредством перемычки микрокоаксильного кабеля. Он имеет очень хорошие параметры и сохраняет их при изгибах. Этот кабель также удобен при прокладке жгутов внутри блока. Как показано на рис. 1б, использование коаксиального кабеля уменьшает длину линии передачи, а также, что немаловажно, позволят отказаться от переходных отверстий. Учитывая, что кабельный разъем может устанавливаться под радиатором, он должен быть низкопрофильным.

Существующие микрокоаксиальные разъемы неплохо работают в диапазоне до 10–13 ГГц. К сожалению, при частоте близкой к 17 ГГц возникает резонанс, что может привести к искажению сигнала. На рис. 2 показаны перекрестные помехи на ближнем (NEXT) и дальнем концах линии (FEXT), а также отмечены резонансные пики.

Рис. 2. Перекрестные помехи на:
а) ближнем конце (NEXT);
б) дальнем конце (FEXT)

Параметры резонанса зависят от длины тракта проходящих по земле обратных токов: чем он больше, тем ниже резонансная частота, и наоборот, — с уменьшением этой длины резонансная частота возрастает. На рис. 3 показан разрез стандартного микрокоаксиального соединителя. Его структура не позволяет точно сформировать требуемый тракт заземляющего тока и, следовательно, изменить резонансную частоту разъема.

Рис. 3. Стандартный микрокоаксиальный соединитель

Проблема решается с помощью так называемой добавочной платы paddle card (FPC), которая позволяет сформировать тракт заземления и протекания обратного тока. Карта FPC сопрягается с землей разъема и формирует тракт обратного тока по земляной шине. На рис. 4а показан внешний вид обычного микрокоаксиального жгута, а на рис. 4б — жгут с платой paddle.

Рис. 4.
а) внешний вид стандартного микрокоаксиального жгута;
б) микрокоаксиальный жгут с платой paddle

На рис. 5 показано соединение вилки и розетки с платой paddle. Напомним, преимущество платы paddle в том, что она позволяет сформировать требуемый путь обратного тока, благодаря чему обеспечивается регулирование частотной характеристики не только разъема, но и всего контура передачи сигнала. Кроме того, плата paddle позволяет выбрать нужную ширину сигнальной линии, улучшив согласование сигнала.

Рис. 5. Соединение вилки и розетки с использованием платы paddle

На рис. 6 показано подключение микрокоаксиального кабеля к дополнительной плате paddle. Соединение платы и кабеля производится пайкой. На участках платы, где пайка не применяется, клеммы сужаются для получения требуемого для согласования характеристического импеданса.

Рис. 6. Подключения микрокоаксиального кабеля к дополнительной плате paddle

Симулирование показало, что параметры разъема после введения платы paddle улучшились. Характеристический импеданс разъемов без платы находится в пределах 73–94 Ом. У разъемов с дополнительной платой диапазон изменения это параметра уменьшился до 84–93 Ом, что соответствует типовым требованиям к импедансу 85–100 Ом. Увеличилась и полоса рабочей частоты до 25 ГГц благодаря сдвигу резонансной частоты с 17 до 33 ГГц. Кроме того, снизились вносимые и возвратные потери в полосе рабочей частоты.