การใช้พานความเร็วสูงกับพานเชื่อมต่อเพื่อปรับปรุงผลงานในขณะที่เพิ่มความหนาแน่นของวงจร

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังหดตัวลงอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่อัตราการส่งข้อมูลก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง สำหรับนักออกแบบ เพื่อให้สอดคล้องกับแนวโน้มนี้ พวกเขาจะต้องสามารถรวมวงจรได้มากขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็ก ในขณะเดียวกันก็รักษาอัตราการส่งข้อมูล ความน่าเชื่อถือ และความสมบูรณ์ของสัญญาณ นักออกแบบยังต้องแก้ไขปัญหาของการระบายความร้อนด้วยอากาศและการแยกทางกายภาพเพื่อลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ให้มากที่สุด

การซ้อนแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ด PC) เป็นวิธีทั่วไปในการเพิ่มความหนาแน่นของวงจร การใช้บอร์ดลูกและแผงลูกแซนวิช ทำให้มีพื้นที่แผงวงจรเพิ่มขึ้น ขณะเดียวกันก็สร้างเส้นทางการทำความเย็นและการแยกสัญญาณ

บทความนี้สรุปถึงความท้าทายต่างๆ ที่นักออกแบบวงจรความเร็วสูงต้องเผชิญ จากนั้น แนะนำขั้วต่อระหว่างบอร์ดกับบอร์ดของ W ü rth Elektronik และอธิบายวิธีใช้ขั้วต่อเหล่านี้เพื่อให้ได้การเชื่อมต่อสัญญาณที่เชื่อถือได้ในขณะที่ยังคงความสมบูรณ์ของสัญญาณไว้

แผงแซนวิช
แผนผังของแผงแซนวิชประกอบด้วยแผงวงจรขนานสองแผ่นที่วางซ้อนกันในแนวตั้ง ซึ่งเชื่อมต่อทางไฟฟ้าผ่านขั้วต่อระหว่างบอร์ดกับบอร์ด (รูปที่ 1 ด้านซ้าย)

แผงวงจรแบบแซนด์วิชหลายคอลัมน์
รูปที่ 1: ภาพด้านซ้ายแสดงตัวอย่างของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่ติดตั้งแบบแซนวิชหลายตัว รูปภาพทางด้านขวาแสดงวิธีการติดตั้งบอร์ดย่อย ซึ่งสามารถติดตั้งผ่านตัวเชื่อมต่อ เทคโนโลยีการยึดพื้นผิว หรือคอลัมน์แยกเกลียว (แหล่งรูปภาพ: W ü rth Elektronik)

การจัดเรียงแบบบอร์ดต่อบอร์ดนี้ประกอบด้วยแผงวงจรสองแผ่นทำให้มีพื้นที่ทางกายภาพมากขึ้นในวงจร โครงสร้างนี้สามารถใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงปริมาตร ให้เกิดการแลกเปลี่ยนกันได้ หรือสร้างการแยกทางกายภาพเพื่อปรับปรุงการไหลเวียนของอากาศและลด EMI ขั้วต่อระหว่างบอร์ดกับบอร์ดเชื่อมต่อโดยตรงกับแผงวงจรโดยไม่ต้องใช้สายเคเบิล ตัวเชื่อมต่อแผงแซนวิชสามารถมีความสูงในการซ้อนได้หลายระดับโดยกำหนดระยะห่างของบอร์ด แผงวงจรด้านบนสามารถรองรับและยึดด้วยขั้วต่อ หรือยึดด้วยตัวยึดบนพื้นผิวหรือเสาแยกเกลียวเพื่อเพิ่มความต้านทานการสั่นสะเทือนและแรงกระแทก (รูปที่ 1 ขวา)

ปัจจัยการพิจารณาความสมบูรณ์ของสัญญาณ
ความสมบูรณ์ของสัญญาณอธิบายถึงการบิดเบือนหรือลดทอนของสัญญาณเมื่อส่งจากแผงวงจรหนึ่งไปยังอีกแผงวงจรหนึ่งผ่านตัวเชื่อมต่อ ผลกระทบบางอย่างเหล่านี้ เช่น ความต้านทานต่อการสัมผัส มีความเป็นอิสระจากความถี่ และสามารถรวมเข้ากับการคำนวณและแก้ไขได้อย่างง่ายดาย

อย่างไรก็ตาม พารามิเตอร์ความสมบูรณ์ของสัญญาณหลักสองตัวที่เกี่ยวข้องกับความถี่คือค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน (ρ) และค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่าน (t) (รูปที่ 2) ค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านมักจะแสดงเป็นเดซิเบล (dB) โดยใช้การสูญเสียการแทรก ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับ (การสูญเสียย้อนกลับ) เกิดจากการสะท้อนของสัญญาณข้อมูลกลับไปยังแหล่งสัญญาณเมื่อพบขั้นตอนค่าอิมพีแดนซ์ การสูญเสียการแทรกจะใช้เพื่อหาปริมาณการลดทอนของเส้นทางการส่งสัญญาณ ทั้งคู่ขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ของตัวเชื่อมต่อ (ZCAB) ที่สัมพันธ์กับอิมพีแดนซ์ของสายบอร์ด PC (Zs)

ทั้งการสูญเสียการส่งคืนและการสูญเสียการแทรกขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ของตัวเชื่อมต่อ
รูปที่ 2: การสูญเสียการส่งคืนและการสูญเสียการแทรกขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ของตัวเชื่อมต่อที่สัมพันธ์กับอิมพีแดนซ์ของสายบอร์ด PC (แหล่งรูปภาพ: W ü rth Elektronik)

การสูญเสียการส่งสัญญาณจะลดความกว้างของสัญญาณที่ส่งผ่านตัวเชื่อมต่อและเป็นสัดส่วนกับความยาวเส้นทางและโครงสร้างทางเรขาคณิตของตัวเชื่อมต่อ ครอสทอล์คใกล้สุด (NEXT) หรือครอสทอล์คปลายไกล (FEXT) อาจทำให้สูญเสียพลังงานได้เช่นกัน การสูญเสียย้อนกลับและสัมประสิทธิ์การส่งผ่านเป็นพารามิเตอร์ที่ขึ้นกับความถี่ซึ่งขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างอิมพีแดนซ์ของขั้วต่อ (จำลองเป็นสายเคเบิล) และอิมพีแดนซ์ของสายส่งของแผงวงจร (สมมติเป็น 50 Ωในตัวอย่างนี้) ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนและค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านถูกกำหนดโดยสูตรที่แสดง

รูปที่ 2 แสดงความแปรผันของพารามิเตอร์เหล่านี้พร้อมกับอิมพีแดนซ์ของขั้วต่อ (สายเคเบิล) หากอิมพีแดนซ์ของขั้วต่อคือ 50 Ω การสูญเสียส่งคืนตามทฤษฎีจะเป็นศูนย์ และค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านคือ 100% ซึ่งบ่งชี้ว่าไม่มีการสูญเสีย ถ้าอิมพีแดนซ์ของขั้วต่อเบี่ยงเบนจาก 50 Ω การเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องจะเป็นสัดส่วนกับค่าเบี่ยงเบนและความถี่ของอิมพีแดนซ์ของขั้วต่อจาก 50 Ω ในขั้วต่อ อิมพีแดนซ์ขึ้นอยู่กับวัสดุฉนวนที่ใช้และโครงสร้างทางเรขาคณิตของพิน รวมถึงความกว้าง ความยาว และระยะห่าง (ระยะห่าง) นอกจากนี้การเดินสายของพินที่อยู่ติดกันก็อาจส่งผลกระทบได้เช่นกัน

มีการกำหนดค่าการเดินสายทั่วไปสองแบบสำหรับการส่งข้อมูลความเร็วสูง (รูปที่ 3): แบบหนึ่งเป็นโครงสร้างปลายเดี่ยว โดยที่สัญญาณข้อมูลอ้างอิงถึงกราวด์; อีกประเภทหนึ่งคือโครงสร้างดิฟเฟอเรนเชียล ซึ่งใช้เส้นสัญญาณเสริมสองเส้น และความกว้างของสัญญาณข้อมูลคือความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างเส้นสัญญาณทั้งสองเส้น สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลใช้เพื่อลดเสียงรบกวนและการรบกวนบนสายสัญญาณคู่ โดยทั่วไปแล้ว สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลจะใช้กับแอปพลิเคชันที่มีอัตราข้อมูลสูงสุด โดยทั่วไปสัญญาณข้อมูลจะจับคู่กับสัญญาณภาคพื้นดินตั้งแต่หนึ่งสัญญาณขึ้นไปเพื่อลดการรับเสียงรบกวน