データ集約型アプリケーションに堅牢なインターコネクトを適用するための5つの設計原則

ジオロケーションマッピング、無人航空機（UAV）ビデオストリーミング、光画像検出および測距（LiDAR）センシング、およびその他のデータ集約型の軍事および航空宇宙アプリケーションでの高速データ速度に対する今日のニーズは事実上無限です。兵士たちはすぐに知りたがっています：道ははっきりしていますか？これは正しい方向ですか？飛行経路に障害物はありますか？

組み込みシステムと電子デバイスは、リアルタイムで回答を提供するために、高速プロトコル（10ギガビットイーサネット、USB 3.0、InfiniBand）と高速バス（VPX、 PCI Express-PCIe）。開発者がこれらの課題に対処できるように、この簡単な概要では、高速をサポートし、高いシグナルインテグリティを維持できる堅牢な相互接続を適用するための5つの設計原則について説明します。

1。完全な信号経路をたどる

プロジェクトの開始時に、相互接続をシステムの一部として全体的に見ることは、土壇場での考えではなく、価値があります。すべての接続がカウントされます。これは、すべてのレベルの電子パッケージングが、シグナルインテグリティを維持するための相互接続の機能に固有の要求を課しているためです。各インターコネクトは、6つの異なるレベルの電子パッケージングのそれぞれでデータレートとパフォーマンスを維持するように求められます。

• レベル1： 基本的な回路要素とそのリード線の間の接続。

• レベル2： コンポーネントのリード線と、集積回路（IC）ソケットなどのプリント回路基板（PCB）との間の接続。

• レベル3： 2つの回路基板間の接続。通常はボード間の接続で、ワンピースのカードエッジコネクタとツーピースのコネクタおよびスタッキングコネクタが含まれます。

• レベル4： 2つのサブアセンブリ間の接続。通常、ワイヤとケーブル、またはデバイスがハウジング内に複数のサブアセンブリを必要とする場合はヘッダーが含まれます。

• レベル5： サブアセンブリからシステムの入力/出力（I / O）ポートへの接続。通常、ケーブルまたは直接接続（ボードマウントバルクヘッドコネクタなど）を使用したサブアセンブリへの接続が含まれます。

• レベル6： 物理的に分離されたシステム間の接続。多くの場合、銅線または光ファイバーケーブルを使用して、別々のシステムのI / Oポートを他のデバイス、周辺機器、およびネットワークスイッチに接続します。アンテナを使用したワイヤレス接続も含まれる場合があります。

2。電気的に最適化された経路を目指す

信号が回路またはコンポーネントに出入りするときはいつでも、信号は強度を失います。デシベル（dB）で測定される「挿入損失」として知られる結果として生じる信号の劣化は、すべての相互接続における電気機械的特性の固有の副作用です。総挿入損失は、インピーダンスの不一致、導体損失（信号線の導体によって失われるエネルギー）、誘電損失（誘電体自体によって失われるエネルギー）など、いくつかの要因の積です。

挿入損失をなくすことはできませんが、設計者はシグナルインテグリティへの影響を最小限に抑える材料と設計を使用して相互接続を選択できます。たとえば、高速アプリケーションでは、設計者は通常、適切な信号強度を確保するために、挿入損失定格が–1dB以下のコネクタを目指します。設計者は、シグナルインテグリティに影響を与える伝送線路の他の要因を考慮して、特定のアプリケーションの許容可能なチャネルレベルを決定する必要があります。

3。インピーダンスとパスの長さが一致していることを確認します

相互接続が回路の他の部分とは異なる電流に対する抵抗またはリアクタンスを示す場合、インピーダンスの不連続性または不一致が発生します。インピーダンスの不一致は、信号が伝送線路を伝わるときに信号の完全性に影響を与える信号反射を引き起こす可能性があります。信号反射の1つの形式は「反射減衰量」です。これは、インピーダンスの不一致によってソースに反射して戻るエネルギーです。

コンポーネント自体をカスタマイズしない限り、設計者は通常、コネクタまたはケーブル内のインピーダンスを変更することはできません。したがって、設計の目標は通常、相互接続のインピーダンスを参照環境のインピーダンスと一致させることです。たとえば、75Ωコネクタは、50Ωコネクタよりも75Ωシステムで電気的に見えなくなります。

インピーダンスの不連続性を最小限に抑える物理的形状または誘電体を備えた接点、ケーブル、およびその他の要素を選択することは、シグナルインテグリティを維持するための最初のステップです。 2番目のステップは、すべてのコンポーネントからコンポーネントへの移行領域が一貫して管理されるようにすることです。これらの領域には、はんだ接合、圧着、およびワイヤからコネクタへの遷移領域が含まれます。目標周波数帯域で–10 dB未満の反射減衰量の値が一般的な目標ですが、許容可能な最大値と最小値は、特定の伝送パスに対して決定できます。

パス長は、差動ペアシグナリングなど、相互接続で2つ以上の並列信号パスが使用される場合にも重要です。この場合、電気経路の長さを正確に一致させる必要があります。そうしないと、各信号がインターコネクトを介して伝播するのにかかる時間が異なります。結果として生じる伝搬遅延は、差動ペアの「スキュー」と呼ばれ、システムタイミングに悪影響を与えるだけでなく、挿入損失、インピーダンスの不一致、およびクロストークを増加させます。