Steckverbinder für Datenraten bis zu 25 Gbit/s

Mehr Speed bei höherer Signaldichte

(industrietreff) - Die Anforderungen an den maximalen Datendurchsatz von Systemen unterschiedlicher Bustechnologien steigen kontinuierlich. ERNI Electronics hat mit der neuen ERmet ZDHD-Familie ein zukunftsweisendes High-Speed-Steckverbindersystem entwickelt, das für Datenraten bis zu 25 Gbit/s ausgelegt ist. Bei der Realisierung der neuen Familie profitierte man von der umfangreichen Expertise aus der seit Jahren bewährten ERmet ZD-Familie und dem ERmet ZDplus-Steckverbindersystem, einer Weiterentwicklung von ERmet ZD. Bei den neuen ZDHD-Komponenten steht HD für High-Density, bieten doch diese High-Speed-Steckverbinder 84 differenzielle Signalpaare je Zoll, während es bei den Vörgängerfamilien noch 40 Paare/Zoll waren. Damit kommt man den Anforderungen der Industrie nach immer höherer Signaldichte bei höchster Performance nach.

Der Datendurchsatz in modernen Elektronik-Systemen steigt kontinuierlich. So wurde bereits 2003 unter der Bezeichnung Advanced Telecommunications Computing Architecture (ATCA) eine neue Telecom-Systemplattform für die Kommunikations-Netzwerkinfrastruktur definiert. Ein ATCA-Aufbausystem kann Daten mit bis zu 2,4 Tbit/s (kumuliert) über die Backplane übertragen. Als Datensteckverbinder für ATCA wurde von der PICMG der ADF Connector (Advanced Differential Fabric Connector) spezifiziert. Die ERmet ZD-Familie entspricht diesem Standard, ebenso wie den Anforderungen von CompactPCI Express.

Auch die Chipsätze für die nächsten Generationen der seriellen Protokolle, wie z.B. 10 Gbit/s Ethernet (10 G Base KR) oder SRIO Gen2 sind mittlerweile verfügbar oder kommen gerade auf den Markt. Für PCI Express sind Treiber für die Gen2 mit 5 Gbit/s Übertragungsrate pro Port verfügbar und der nächste Schritt auf Gen3 mit 8 Gbit/s steht kurz bevor. Bei Serial-ATA, das zurzeit bei 3 Gbit/s Übertragungsrate liegt wurde ebenfalls schon die Revision 3.0 definiert, die die Datenrate auf 6 Gbit/s verdoppelt. Damit sind Systeme erforderlich, die die sehr schnellen neuen Protokolle unterstützen, wobei auch die entsprechenden Backplanes und die dort eingesetzten Steckverbinder für die Übertragung dieser hohen Datenraten ausgelegt sein müssen.

Seit einer Dekade bewährt

Die ERmet ZD-Steckverbinder wurden von ERNI Electronics schon 2001 gemeinsam mit Tyco in den Markt eingeführt und für die differenzielle High-Speed-Signalübertragung entwickelt. Die bewährte Familie hat mittlerweile in der Telekommunikations- und Computerindustrie eine hohe Marktakzeptanz erfahren und bietet zuverlässige differenzielle Verbindungslösungen im Bereich von 3 bis etwa 5 Gbit/s.
Prinzipiell ist beim Design von Steckverbindern für schnelle differenzielle Signale die Geometrie des Kontaktrasters ein wichtiges Kriterium. Der ERmet ZD nutzt ein optimiertes Kontaktraster, mit einem Wafer-Raster von 2,5 mm und einem Raster von 1,5 mm zwischen den Kontakten innerhalb des Signalpaars bzw. 4,5 mm zwischen den Signalpaaren auf einem Wafer. Dadurch wird einerseits das Nebensprechen reduziert und anderseits genügend Platz für das Routing der Leiterbahnen bzw. den Einsatz von breiteren, HF-optimierten Leiterbahnen geschaffen. Mit den ZD-Steckverbindern ist sogenanntes „Quad Routing“ möglich, d.h., es können vier Signalleitungen (zwei differenzielle Paare) je Kanal realisiert werden. Damit sind weniger Layer erforderlich, also letztendlich dünnere und damit kostengünstigere Boards. Darüber hinaus wird auch der Stub-Effekt reduziert und die Signalintegrität verbessert.
Die Leitungsdämpfung wird durch die dielektrischen Verluste und die Verluste durch den Skin-Effekt der Kupferleitung bestimmt. Der frequenzabhängige Skin-Effekt trägt bei hohen Geschwindigkeiten maßgeblich zum Gesamtverlust bei und sorgt für eine Reduzierung der Signalamplitude. Diesem Skin-Effekt kann durch größere Leiterbahnbreiten und eine dickere Kupferleitung entgegen gewirkt werden. Simulationen und Messungen haben gezeigt, dass bei Übertragungsraten oberhalb von 5 Gbit/s die Leiterbahnbreite wegen des Skin-Effektes einen signifikanten Einfluss auf die Signalqualität hat. ERmet ZD-Steckverbinder ermöglichen dafür einen guten breiten Routing-Kanal, der für Leiterbahnen bis 0,25 mm (10 mil) geeignet ist.

Durch das optimierte Design und die effektive Schirmung weist das ERmet ZD System eine große Immunität gegenüber Nebensprechen und Reflexionen auf. Auch für den Reflektionsfaktor mit weniger als 6 % (bei 100 ps Signalanstiegszeit, 2 mm Boarddicke) unter Berücksichtigung des Leiterplattenanschlusses und die Einfügungsdämpfung wurden sehr gute Werte ermittelt.


Mehr Speed, gleiches Layout

ERmet ZD plus-Steckverbinder (Bild 1) bieten noch höhere Datenraten als ERmet ZD, ohne dass Layoutänderungen auf der Backplane-Seite erforderlich sind. Der ERmet ZD plus basiert auf demselben mechanischen Design wie der bewährte ERmet ZD, bei gleichen Abmessungen. Um die höheren Datenraten von etwa 10 bis 15 Gbit/s zu erreichen bzw. das Crosstalk-Verhalten zu verbessern, wurden das Signal-Routing und die Einpresskontakte der Federleisten weiter optimiert. Damit man die maximale Performance des ERmet ZD plus abrufen kann, wird Backdrilling (Wegbohren der Metallisierung des elektrisch „unbenutzten" Teils des Vias von der Leiterplattenrückseite) empfohlen. Damit werden die Stub-Längen und der entsprechende Stub-Effekt verringert, indem die Reflektionen signifikant reduziert werden. Das resultiert letztendlich in einer deutlich verbesserten Bitfehlerrate (BER) für die Verbindung.

Als erstes Produkt der ERmet ZD plus-Familie wurde eine abgewinkelte Federleiste in Einpresstechnik in der 4-Paar-Konfiguration für den Einsatz auf Tochterkarten eingeführt. Die ERmet ZD plus-Federleiste ist steckkompatibel zur ERmet ZD-Messerleiste. Damit ist bei bestehenden Backplane-Designs keine Layout-Änderung auf der Busplatine erforderlich, wenn das System einen Upgrade auf den neuen Steckverbinder erfahren soll. Beim Einsatz der ERmet ZD plus-Federleisten auf den Tochterkarten müssen diese natürlich entsprechend modifiziert werden. Während die Datenraten pro differenziellem Paar in Kombination mit einer ERmet ZDplus-Federleiste auf der Tochterkarte und einer ERmet ZD-Messerleiste auf der Backplane mit bis zu 15 Gbit/s spezifiziert werden, können mit einer reinen ERmet ZDplus-Kombination (Messerleiste und Federleiste) noch höhere Datenraten erreicht werden. ERmet ZDplus-Messerleisten sind auf Anfrage verfügbar.

Bei der Anwendung mit einer Standard-ERmet ZD-Messerleiste beträgt der Via-Durchmesser immer noch 0,6 mm. Dies ist wiederum ein Vorteil bei dickeren Backplanes in Bezug auf mögliche Aspect-Ratio-Probleme. Dank des 2,5 mm breiten Routing-Kanals können auch hier zwei differenzielle Leitungspaare auf einem Layer (Quad-Routing) geroutet werden, mit entsprechender Reduzierung der Layer-Anzahl. Der Abstand zwischen der Backplane-Oberfläche und der Tochterkarte beträgt im gesteckten Zustand nur 12,5 mm und ist mit Steckverbindersystemen wie 2-mm-HM und ISO 603-2 kompatibel.

Die umfassende Schirmung zwischen den Wafern und den doppelt ausgeführten Einpress-Verbindungen sorgen für ein ausgezeichnetes Verhalten beim Nebensprechen. Die geringe Induktivität der Schirmung zusammen mit der doppelten Pressfit-Verbindung und der Kompensation des Signalversatzes reduzieren Probleme bedingt durch das Gleichtakt-Rauschen, dass bei höheren Geschwindigkeiten angesichts der Skew (Signalversatz)-Einflüsse bei neuen Halbleitern immer mehr zu einer Herausforderung wird. Außerdem ermöglicht das Design des ERmet ZDplus in Kombination mit den Buchsen-Öffnungen eine Positions-Toleranz von ± 0,15 mm von Modul zu Modul.


High-Density-Erweiterung

Viele Telecom/Datacom-Hersteller fordern jedoch nicht nur immer höherer Datenraten sondern auch eine höhere Signaldichte mit 80 differenziellen Signalpaaren/Zoll. Das neue ERmet ZDHD-System (Bild 2) kommt diesen Anforderungen nach und bietet 14 Kontaktreihen/Zoll (25,4 mm) mit sechs differenziellen Signalpaaren je Reihe. Mit den ERmet ZDHD-Steckverbindern lassen sich Datenraten von bis zu 25 Gbit/s erreichen. Dafür stehen mit der 6-paarigen Ausführung 84 Signalpaare je Zoll für 90-Grad-Leiterplatten-Anwendungen zur Verfügung. Um diese hohe Signaldichte zu erreichen, wurde das Raster zwischen den Reihen (Wafern) auf 1,8 mm und das Raster zwischen den differenziellen Paaren innerhalb einer Reihe auf 3,6 mm reduziert. Der Abstand zwischen den Signal-Via bzw. zwischen Signal- und GND-Via beträgt 1,2 mm. Grundlage für diese weitere Miniaturisierung und damit verbesserte Performance ist eine Einpresstechnik mit nur 0,46 mm Lochdurchmesser für Signale und Schirmung (zum Vergleich beim ERmet ZD ist der Lochdurchmesser 0,6 mm). Die Impedanz des ERmet ZDHD beträgt 100 Ohm, während auch eine 85-Ohm-Version optional verfügbar ist.

Jedes differenzielle Signalpaar ist durch eine L-förmige Schirmung gegenüber Crosstalk geschützt. In entsprechenden Simulationen konnte das ausgezeichnete Crosstalk-Verhalten auch bei schnellen Signalflanken mit 25 ps Anstiegszeit gezeigt werden. Dies beruht u. a. auf den weiter reduzierten Via-Durchmessern und den versetzten Signal- bzw. Schirmreihen (Bild 3). Robuste Führungen an den Wänden der Messerleisten sorgen außerdem für eine zuverlässige Verarbeitung. Die ERmet ZD/HD-Steckverbinder sind zuerst als 6-paarige Versionen erhältlich, 2- und 4-paarige Versionen sind geplant.


Vergleich der Familien

ERNI Electronics hat in Zusammenarbeit mit der AdMOS GmbH Simulationen zum Vergleich der Performance und des Crosstalk-Verhaltens zwischen den drei Steckverbinder-Familien (Standard ZD, ZDplus, ZDHD) auf Tochterkarten durchgeführt. Für die Simulationen wurden die Signalanstiegszeiten für den ZD und ZDplus mit 50 ps und für den ZDHD mit nur 25 ps angenommen. Außerdem wurden verschiedene Layer-Konfigurationen betrachtet – einmal mit der Leiterbahnführung auf dem obersten (Top-Layer) und dem untersten Layer (Bottom-Layer). Für das Nebensprechen (Far-End und Near-End) wurden sowohl die Einflüsse auf den benachbarten Wafer als auch auf die nächstliegenden Signale innerhalb eines Wafers untersucht.

Die Ergebnisse (Bild 4) zeigten für den ERmet ZDHD das beste Crosstalk-Verhalten, trotz der höheren Kanaldichte und der schnelleren Anstiegszeit von 25 ps. So konnte ein Nebensprechen (FEXT, Top Layer Konfiguration) von nur 0,18 % zwischen zwei benachbarten Wafern bzw. 0,52 % innerhalb des Wafers erreicht werden. Zum Vergleich, beim ERmet ZD sind die entsprechenden Werte 0,35 % bzw. 1,6 % und beim ERmet ZDplus 0,19 % bzw. 0,80 %. Die ZDHD-Steckverbinder können für Datenraten bis zu 25 Gbit/s eingesetzt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass mit einem ERmet ZD plus - wenn man ihn sowohl auf der Tochterkarte als auch Backplane einsetzt und ein optimiertes Footprint-Muster nutzt, Übertragungsgeschwindigkeiten ähnlich zum ZDHD erreicht werden können. Die entsprechenden S-Parameter-Files stehen von ERNI zur Verfügung.

Für den ERmet ZDHD wurden darüber hinaus Simulationen für die Signalkanäle bei Datenraten von 25 Gbit/s durchgeführt. Die Analysen in dem ADS-Simulationsprogramm wurden mit einer 8B10B-kodierten Pseudo-Random-Bitsequenz (PRBS 27-1) durchgeführt. Bei allen Simulationen wurde ein FFE (Feed Forward Equalizer) mit zwei Precursor- und vier Postcursor-Taps auf der Empfängerseite eingesetzt, um bestmögliche Augendiagramme zu erhalten. Die Pre-Emphasis wurde mit 1 dB für einen 0,75-Tap-Intervall durchgeführt. Die Signal-Anstiegs-/Abfallzeit war mit 10 ps definiert. Entsprechende Simulationen wurden für den Steckverbinder allein und für eine typische Backplane-Anwendung durchgeführt (Bild 5a und 5b) Bei der Backplane-Applikation war der Treiber auf einer Tochterkarte über eine 25 mm lange Übertragungsleitung mit dem ersten ERmet ZDHD-Steckverbinder verbunden. Die Leiterbahnlänge auf der Backplane betrug 100 oder 200 mm. Die zweite Tochterkarte entspricht der ersten, mit einem Empfänger, der ebenfalls 25 mm vom ERmet ZDHD-Stecker entfernt ist. Hier ist anzumerken, dass die Übertragung vom Steckverbinder auf die Leiterplatte über ein detailliertes Via-Feld definiert ist. Außerdem wurden die Simulationen für unterschiedliches Leiterplattenmaterial (dielektrischer Verlustfaktor von 0,009 bzw. 0,003) und verschiedene Via-Durchmesser durchgeführt.


Fazit

Die Simulationen zeigten eine sehr gute Performance für den ERmet ZDHD bei einer Datenrate von 25 GBit/s. Neben geringen Reflexionsverlusten und einer geringen Einfügungsdämpfung wurde auch ein gutes Impedanz-Verhalten sowie geringes Nebensprechen ermittelt. Die entsprechenden Augendiagramme für den Standalone-Steckverbinder und den ERmet ZDHD in einer Backplane-Anwendung belegten eine ausreichende Signalqualität auch bei dieser hohe Datenrate, die durch entsprechendes Leiterplattenmaterial erwartungsgemäß nochmals verbessert werden kann. Die Simulationsergebnisse zeigten auch deutlich, dass der kleinere Via-Durchmesser (Bild 6) entscheidend für die High-Speed-Performance bzw. Signalqualität ist. Außerdem sind bei den sehr hohen Datenraten entsprechende Filtertechniken (Equalizing) erforderlich.

Mit den Familien ZD, ZDplus und ZHDH stehen für den Aufbau zukunftssicherer Systeme High-Speed-Steckverbinder für die unterschiedlichsten Anforderungen im Bereich von 3 bis 25 Gbit/s zur Verfügung.

Themen in dieser Meldung:


Unternehmensinformation / Kurzprofil:
Leseranfragen:
Kontakt / Agentur:
Bereitgestellt von Benutzer: ernielectronics
Datum: 20.09.2011 - 15:08 Uhr
Sprache: Deutsch
News-ID 483525
Anzahl Zeichen: 0

Kontakt-Informationen:
Ansprechpartner:
Stadt:

Telefon:

Kategorie:

Elektro- und Elektronik

Anmerkungen:


Diese HerstellerNews wurde bisher 687 mal aufgerufen.


Die Meldung mit dem Titel:
"Steckverbinder für Datenraten bis zu 25 Gbit/s
"
steht unter der journalistisch-redaktionellen Verantwortung von

ERNI Electronics GmbH (Nachricht senden)

Beachten Sie bitte die weiteren Informationen zum Haftungsauschluß (gemäß TMG - TeleMedianGesetz) und dem Datenschutz (gemäß der DSGVO).

Alle Meldungen von ERNI Electronics GmbH

• OBO Mauernut-Klemmschelle

• KDPOF und Hinge Technology kooperieren

• Lunartec 3in1-Akku-LED-Leuchte, 30 Std. Leuchtdauer, 243 lm

• Blockalarm Alarmanlagen: Ihre Sicherheit ist unsere höchste Priorität

• Weidmüller überreicht Zeugnisse an Auszubildende und dual Studierende