دستگاه های الکترونیکی به طور مداوم در حال کوچک شدن هستند، در حالی که نرخ انتقال داده ها دائما در حال افزایش است. برای اینکه طراحان با این روند مطابقت داشته باشند، باید بتوانند مدارهای بیشتری را در فضای کوچکتر ادغام کنند و در عین حال نرخ انتقال داده، قابلیت اطمینان و یکپارچگی سیگنال را حفظ کنند. طراحان همچنین باید مسائل خنک کننده هوا و عایق بندی فیزیکی را برای به حداقل رساندن تداخل الکترومغناطیسی (EMI) تا حد امکان بررسی کنند.
انباشتن بردهای مدار چاپی (بردهای PC) یک روش رایج برای افزایش چگالی مدار است. با استفاده از بردهای دختر و ساندویچ بردهای دختر می توان فضای بیشتری برای برد مدار به دست آورد و در عین حال مسیرهای خنک کننده و ایزولاسیون سیگنال را ساخت.
این مقاله به طور مختصر چالش های مختلفی را که طراحان مدارهای پرسرعت با آن مواجه هستند، بیان می کند. سپس برد W ü rth Elektronik را به کانکتورهای برد معرفی کنید و توضیح دهید که چگونه از این کانکتورها برای دستیابی به اتصالات سیگنال قابل اعتماد و در عین حال حفظ یکپارچگی سیگنال استفاده کنید.
ساندویچ پانل
طرح ساندویچ پانل شامل دو تخته مدار موازی است که به صورت عمودی روی هم قرار گرفته اند، که از طریق اتصالات برد به برد به صورت الکتریکی متصل می شوند (شکل 1، سمت چپ).
برد مدارهای نصب شده بر روی ساندویچ ستونی
شکل 1: تصویر سمت چپ نمونه هایی از بردهای مدار چاپی چندگانه نصب شده در ساندویچ (PCB) را نشان می دهد. شکل سمت راست روش نصب تخته فرعی را نشان می دهد که می تواند از طریق کانکتورها، فناوری نصب سطحی یا ستون های جداسازی رزوه ای نصب شود. (منبع تصویر: W ü rth Elektronik)
این چیدمان برد به برد متشکل از دو برد مدار، فضای فیزیکی بیشتری را به مدار می آورد. این ساختار را می توان برای بهبود راندمان حجمی، دستیابی به قابلیت تعویض یا ایجاد جداسازی فیزیکی برای بهبود جریان هوا و کاهش EMI استفاده کرد. کانکتورهای برد به برد مستقیماً بدون استفاده از کابل به برد مدار متصل می شوند. کانکتور ساندویچ پانل می تواند با فاصله تخته تعیین شده به ارتفاعات چندگانه انباشته دست یابد. برد مدار بالایی را می توان توسط کانکتورها پشتیبانی و ثابت کرد، یا با نصب سطحی یا ستون های جداسازی رزوه ای برای افزایش مقاومت در برابر لرزش و ضربه ثابت کرد (شکل 1، سمت راست).
فاکتورهای در نظر گرفتن یکپارچگی سیگنال
یکپارچگی سیگنال توضیح می دهد که چگونه سیگنال ها هنگام انتقال از یک برد مدار به مدار دیگر از طریق کانکتورها تحریف یا تضعیف می شوند. برخی از این اثرات، مانند مقاومت در برابر تماس، مستقل از فرکانس هستند و به راحتی می توان آنها را در محاسبات گنجاند و اصلاح کرد.
با این حال، دو پارامتر کلیدی یکپارچگی سیگنال مرتبط با فرکانس، ضریب بازتاب (ρ) و ضریب انتقال (t) هستند (شکل 2). ضریب انتقال معمولاً در دسی بل (dB) با استفاده از تلفات درج بیان می شود. ضریب بازتاب (از دست دادن بازگشت) به دلیل بازتاب سیگنال های داده به منبع سیگنال هنگام مواجهه با مراحل مقدار امپدانس ایجاد می شود. از دست دادن درج برای تعیین کمیت تضعیف مسیر انتقال استفاده می شود. هر دو به امپدانس اتصال (ZCAB) نسبت به امپدانس خط برد PC (Zs) بستگی دارند.
هم افت برگشت و هم از دست دادن درج به امپدانس کانکتور بستگی دارد
شکل 2: تلفات برگشتی و افت ورودی به امپدانس اتصال نسبت به امپدانس خط برد PC بستگی دارد. (منبع تصویر: W ü rth Elektronik)
تلفات انتقال دامنه سیگنال عبوری از کانکتور را کاهش می دهد و متناسب با طول مسیر و ساختار هندسی کانکتور است. تداخل نزدیک (NEXT) یا تداخل انتهایی (FEXT) نیز می تواند باعث اتلاف انرژی شود. تلفات برگشتی و ضریب انتقال پارامترهای وابسته به فرکانس هستند که به تفاوت بین امپدانس کانکتور (شبیهسازی شده به عنوان کابل) و امپدانس خط انتقال تخته مدار (که در این مثال 50 Ω فرض میشود) بستگی دارد. ضریب بازتاب و ضریب انتقال با فرمول های نشان داده شده تعریف می شوند.
شکل 2 تغییر این پارامترها را با امپدانس کانکتور (کابل) نشان می دهد. اگر امپدانس کانکتور 50 Ω باشد، تلفات بازگشتی نظری صفر و ضریب انتقال 100٪ است که نشان دهنده عدم تلفات است. اگر امپدانس کانکتور از 50 Ω منحرف شود، تغییرات در پارامترهای مربوطه متناسب با مقدار انحراف و فرکانس امپدانس کانکتور از 50 Ω خواهد بود. در کانکتورها، امپدانس به مواد عایق مورد استفاده و ساختار هندسی پین ها از جمله عرض، طول و فاصله (فاصله) بستگی دارد. علاوه بر این، سیم کشی پین های مجاور نیز می تواند روی آن تاثیر بگذارد.
دو پیکربندی سیمکشی رایج برای انتقال دادههای پرسرعت وجود دارد (شکل 3): یکی یک ساختار منفرد است که در آن سیگنال داده به زمین ارجاع میشود. نوع دیگر ساختار دیفرانسیل است که از دو خط سیگنال مکمل استفاده می کند و دامنه سیگنال داده اختلاف ولتاژ بین دو خط سیگنال است. سیگنال های دیفرانسیل برای کاهش نویز و تداخل در خطوط سیگنال دوگانه استفاده می شود. به طور کلی، سیگنال های دیفرانسیل برای برنامه هایی با بالاترین نرخ داده استفاده می شود. سیگنالهای داده معمولاً با یک یا چند سیگنال زمینی جفت میشوند تا نویز را کاهش دهند.