Conectori BTB pentru semnale de înaltă frecvență

Figura 1: Configurație de măsurare cu plăci de testare calibrate.

În mod ideal, toate componentele electronice ale unui sistem ar fi integrate pe o singură placă de circuit imprimat, cât mai compactă. În practică, însă, proiectanții se confruntă adesea cu constrângeri care impun utilizarea mai multor PCB-uri. În astfel de cazuri, conectorii BTB placă-la-placă (Board-to-Board) oferă numeroase avantaje datorită flexibilității, robusteții mecanice și capacității de a gestiona fiabil atât semnalele, cât și alimentarea. Articolul analizează aspectele cheie care trebuie luate în considerare la alegerea conectorilor BTB, cu accent special pe integritatea semnalului.

Conectorii BTB sunt disponibili în numeroase forme, dimensiuni și configurații, permițând proiectanților să interconecteze fiabil PCB-urile într-o gamă largă de aplicații. Durabilitatea lor mecanică și capacitatea de a transporta curenți mari și semnale de mare viteză îi fac potriviți pentru sisteme de control industrial, interfețe pentru afișaje și camere, precum și pentru dispozitive medicale compacte.

Indiferent dacă trebuie interconectate două sau mai multe PCB-uri, proiectanții trebuie să selecteze conectorii BTB potriviți pentru aplicația lor. Având în vedere diversitatea opțiunilor disponibile, inginerii trebuie să ia în considerare numărul de pini/contacte, codificarea mecanică, elementele de împerechere, tipul carcasei, tipurile de montare – SMT sau THT – și specificațiile electrice. Totodată, existența unui număr mare de variante oferă o flexibilitate ridicată în ceea ce privește dispunerea și poziționarea PCB-urilor.

Aceste aspecte sunt însă adesea subestimate, iar alegerea unui conector nepotrivit poate compromite întregul proiect, afectând factorul de formă, integritatea semnalului sau chiar fiabilitatea pe termen lung în exploatare. În acest articol ne vom referi, în special, la caracteristicile de integritate a semnalului oferite de conectorii BTB cu pas mic și profil redus.

Conectori cu pas fin pentru integritatea semnalului

Pentru aplicații de mare viteză, Würth Elektronik a lansat seria de conectori BTB cu pas de 0,4 mm (WR-BTB) și seria cu pas de 0,5 mm (WR-BTB), care se remarcă pe piață prin precizia de fabricație și nivelul ridicat al integrității semnalului. Seria cu pas de 0,4 mm are un design cu profil redus, ceea ce îi permite să răspundă multor cerințe de proiectare datorită înălțimii reduse de stivuire.

Figura 2: Pinii de la extremități în configurații de mare viteză pentru conectorii BTB cu pas de 0,4 mm și 0,5 mm.

Inginerii de la Würth Elektronik au efectuat teste de înaltă frecvență pe ambele serii de conectori, folosind dispozitive de testare personalizate. Măsurătorile au fost realizate pe plăci de testare special dezvoltate, cu linii de transmisie de 50 Ω, respectiv 100 Ω în mod diferențial. De asemenea, au fost create plăci de calibrare pentru compensarea pierderilor de linie, care au fost măsurate corespunzător. Configurația de testare a utilizat un analizor vectorial de rețea Rohde & Schwarz VNA ZVB 20, cu o gamă de frecvență de la 10 MHz la 20 GHz (Figura 1).

Pentru ambele familii de conectori, caracteristicile semnalului descrise mai jos se aplică tuturor pozițiilor pinilor, cu excepția pinilor de la extremități (Figura 2). Se recomandă ca acești pini externi să fie alocați semnalelor de joasă frecvență, liniilor de alimentare sau traseelor de retur la masă – o abordare deja implementată în multe standarde pentru transmisia semnalelor de mare viteză.

BTB cu pas de 0,4 mm   BTB cu pas de 0,5 mm

Figura 3: Curba de atenuare pentru seria BTB de mare viteză, cu profil redus și pas de 0,4 mm, în configurație GSG de 50 Ω.

Configurația GSG – masă–semnal–masă – este utilizată pentru semnale single-ended și presupune că traseul de transmisie din interiorul conectorului constă dintr-un pin de semnal (S), flancat de doi pini de masă sau de doi pini pentru semnale neasociate (G). În configurația diferențială GSSG – masă–semnal–semnal–masă – doi pini adiacenți (SS) formează o pereche diferențială, flancată de doi pini de masă sau de doi pini pentru semnale neasociate (G).

Semnale de tip single-ended

Impedanța caracteristică în configurația GSG este de 50 ± 10 Ω (valoare simulată: 48 Ω). Atunci când se testează un conector cu o linie de transmisie de 50 Ω într-un dispozitiv de testare GSG, comportamentul pierderilor de inserție poate fi aproximat – folosind o marjă de siguranță conservatoare – prin ecuația:

IL(𝑓)=A𝑓2+B𝑓+C

Figura 4: Curba de atenuare pentru seria BTB de mare viteză, cu pas de 0,5 mm, în configurație GSG de 50 Ω.

Această aproximare pătratică exprimă pierderea de inserție (IL) în funcție de frecvența f. Modelul supraestimează intenționat, într-o anumită măsură, pierderile, pentru a permite o evaluare prudentă a performanței.

Explicația parametrilor:

• C: constantă care reprezintă pierderea de bază în curent continuu, ideal aproape de 0 dB, dar care poate include offseturi ale dispozitivului de testare.
• Bf: termen liniar care reprezintă pierderile dependente de frecvență, cum ar fi pierderile în conductori și efectele dielectrice la frecvențe joase.
• Af²: termen pătratic care reprezintă pierderile dielectrice, pierderile asociate efectului pelicular și efectele dispersive.

Folosind următorii parametri, cu f exprimată în GHz, valorile din Tabelul 1 se aplică pentru configurația GSG:

Tabelul 1: Valori ale parametrilor pentru seria WR-BTB, în configurație single-ended.

Figurile 3 și 4 ilustrează curbele de atenuare corespunzătoare.

Sinteza rezultatelor:

• Pentru conectorii cu pas de 0,4 mm, marja de siguranță este de aproximativ 0,3 dB la 500 MHz și de 1 dB la 17 GHz. Între 11 și 14 GHz, modelul supraestimează pierderea de inserție cu aproximativ 5 dB.
• Pentru conectorii cu pas de 0,5 mm, marja de siguranță este de aproximativ 0,2 dB la 500 MHz și de 1 dB la 18 GHz. Între 10 și 17 GHz, supraestimarea este de aproximativ 5 dB.

Transmisia semnalelor diferențiale

A fost testată și transmisia diferențială. Impedanța diferențială este:

• pentru conectorii cu pas de 0,4 mm: 100 ± 10 Ω (valoare simulată: 97 Ω)
• pentru conectorii cu pas de 0,5 mm: 100 ± 10 Ω (valoare simulată: 96 Ω)

Atunci când testarea se realizează într-un dispozitiv diferențial GSSG de 100 Ω, pierderea de inserție poate fi din nou aproximată cu ajutorul ecuației:

Folosind următorii parametri, cu f exprimată în GHz, valorile din Tabelul 2 se aplică pentru configurația GSSG:

Tabelul 2: Valori ale parametrilor pentru seria WR-BTB, în configurație diferențială.

Figura 5: Curba de atenuare pentru conectorii BTB de mare viteză, cu profil redus și pas de 0,4 mm, în configurație GSSG de 100 Ω.

Curbele de atenuare corespunzătoare sunt prezentate în Figurile 5 și 6.

Astfel, marja de siguranță a acestui profil de pierderi este de aproximativ 0,2 dB la 500 MHz și de 1 dB la 18 GHz pentru WR-BTB cu pas de 0,4 mm, respectiv 0.18 dB la 500 MHz și de 1 dB la 20 GHz pentru WR-BTB cu pas de 0,5 mm. Ce concluzie poate fi trasă, în final, din această serie de teste?

Interpretarea și compararea celor două rezultate arată că, în configurație GSG, conectorii BTB cu pas de 0,4 mm prezintă o atenuare redusă, de aproximativ 3 dB, până la circa 3 GHz, după care aceasta crește semnificativ. Pentru conectorii BTB cu pas de 0,5 mm apar aceleași efecte: până la 5 GHz, aceștia prezintă o atenuare redusă, de aproximativ 3 dB, care apoi crește considerabil.

Atenuarea este cauzată de o nepotrivire de impedanță, care poate duce la reflexii și distorsiuni ale semnalului.

Figura 6: Curba de atenuare pentru conectorii BTB de mare viteză, cu pas de 0,5 mm, în configurație GSSG de 100 Ω.

În schimb, configurația GSSG – datorită naturii sale diferențiale – prezintă o atenuare semnificativ mai mică și atinge pragul de 3 dB abia la aproximativ 13,5 GHz pentru versiunea BTB cu pas de 0,4 mm și la aproximativ 17 GHz pentru versiunea BTB cu pas de 0,5 mm. Acest rezultat este în concordanță cu tendința de utilizare tot mai largă a protocoalelor de transmisie serială diferențială în locul magistralelor paralele de mare lățime.

Autor:
Baptiste Bouix
Product Manager Specialist Data Transmission

Baptiste Bouix a studiat știința materialelor și nanotehnologii pentru electronică la Institutul Național de Științe Aplicate din Lyon, unde a obținut o diplomă de inginer și un master orientat spre cercetare. A lucrat în cercetare și dezvoltare în industria semiconductorilor, la STMicroelectronics, precum și în cadrul Laboratorului de Electronică și Tehnologia Informației din Grenoble, ca inginer de cercetare în domeniul noilor tehnologii de fabricație pentru microelectronică și micromecanică. În 2020, a preluat funcția de Product Manager pentru conectorii de mare viteză la Würth Elektronik eiCan. Din 2022, activează ca specialist în semnale de mare viteză și aplicații pentru lanțul de semnal (signal chain) în cadrul echipei de management de produs pentru conectori.

Würth Elektronik

Mai multe informații: https://www.we-online.com/de/components/products/WR_BTB

Glosar de termeni

Conectori și arhitectură PCB

BTB (Board-to-Board) – Conector placă-la-placă utilizat pentru interconectarea a două sau mai multe PCB-uri. Permite transmiterea semnalelor, distribuția alimentării și realizarea unor sisteme electronice modulare.
PCB (Printed Circuit Board) – Placă de circuit imprimat pe care sunt montate componentele electronice și traseele de interconectare ale unui sistem.
Pasul conectorului – Distanța dintre centrele a doi pini sau contacte adiacente. Un pas mai mic, de exemplu 0,4 mm sau 0,5 mm, permite realizarea unor conectori mai compacți.
Înălțime de stivuire – Distanța rezultată între două PCB-uri după cuplarea conectorilor BTB. O înălțime redusă de stivuire este importantă în echipamente compacte și cu profil redus.

Transmisia semnalelor

Semnal single-ended – Semnal transmis pe un singur conductor sau pin de semnal, raportat la masă. Este o configurație mai simplă, dar mai sensibilă la zgomot și la nepotriviri de impedanță în aplicații de mare viteză.
Semnal diferențial – Semnal transmis printr-o pereche de conductoare sau pini, unde informația este reprezentată de diferența dintre cele două tensiuni. Această metodă oferă o imunitate mai bună la zgomot și performanțe superioare la frecvențe ridicate.
GSG (Ground–Signal–Ground) – Configurație masă–semnal–masă utilizată pentru transmiterea unui semnal single-ended. Pinul de semnal este încadrat de pini de masă sau de pini cu semnale neasociate traseului analizat.
GSSG (Ground–Signal–Signal–Ground) – Configurație masă–semnal–semnal–masă utilizată pentru transmisie diferențială. Cei doi pini de semnal formează o pereche diferențială, încadrată de pini de masă sau de semnale neasociate.

Parametri electrici și măsurători

Impedanță caracteristică – Mărime electrică specifică unei linii de transmisie, exprimată în ohmi. Adaptarea impedanței este importantă pentru reducerea reflexiilor și menținerea integrității semnalului.
Impedanță diferențială – Impedanța văzută de o pereche de semnale diferențiale. În multe aplicații de mare viteză, valoarea uzuală este de 100 Ω.
Pierdere de inserție – Atenuarea introdusă de un element, cum ar fi un conector, într-o cale de transmisie. Se exprimă de obicei în dB și indică pierderea de semnal la trecerea prin acel element.
Atenuare – Reducerea amplitudinii unui semnal pe măsură ce acesta se propagă printr-o linie de transmisie, un conector sau un sistem de interconectare.

Efecte la frecvențe ridicate

Integritatea semnalului – Capacitatea unui sistem de interconectare de a transmite semnale fără distorsiuni semnificative, reflexii excesive, pierderi mari sau interferențe care pot afecta funcționarea circuitului.
Nepotrivire de impedanță – Situație în care impedanța unui conector, traseu sau circuit nu este adaptată la impedanța liniei de transmisie. Aceasta poate genera reflexii și distorsiuni ale semnalului.
Reflexii ale semnalului – Fenomen care apare atunci când o parte din semnal este reflectată înapoi pe linia de transmisie, de obicei din cauza unei nepotriviri de impedanță.
Efect pelicular (skin effect) – Fenomen prin care, la frecvențe ridicate, curentul tinde să circule mai ales la suprafața conductorului. Acest efect crește pierderile în conductori și influențează performanța la frecvențe mari.