Steckverbinder für Multigigabit-Systeme

Im Bereich der Backplane-basierenden High-Speed-Datenübertragung steigen die Datenraten für die vorhandenen Protokolle stetig. Ein besonderes Augenmerk richtet sich dabei stets auf die dort eingesetzten Steckverbinder. Allerdings sind diese nur Teile des Übertragungskanals. Man muss schon das System als Ganzes betrachten.

Im Bereich der Backplane-basierenden High-Speed-Datenübertragung steigen die Datenraten für die vorhandenen Protokolle stetig. Ein besonderes Augenmerk richtet sich dabei stets auf die dort eingesetzten Steckverbinder. Allerdings sind diese nur Teile des Übertragungskanals. Man muss schon das System als Ganzes betrachten.

Bei Systemen für hohe Datenraten – also im Bereich einiger Gigabit pro Sekunde – tut sich der Empfänger besonders hart, die ankommenden Signale korrekt auszuwerten. Um diese Signalintegrität zu gewährleisten, muss der Übertragungspfad (Channel) vom Sender zum Empfänger einige Randbedingungen wie zum Beispiel geringe Einfügedämpfung, geringe Rückflussdämpfung und geringes Nebensprechen erfüllen. Übertragungsprotokoll und Halbleiterbausteine spielen ebenfalls eine wichtige Rolle.

Aktuell dominieren Lösungen, die auf Backplanes basieren, den Markt der Multigigabit-Systeme. Hier wird das Signal auf einer Modulkarte erzeugt und über einen Steckverbinder auf die Backplane und über einen weiteren Steckverbinder auf eine benachbarte Modulkarte übergeben, auf dem sich der Empfänger befindet (Bild 1). Für diese Übertragungsart lassen sich verschiedene Übertragungsprotokolle mit unterschiedlichen Datenraten pro Pfad einsetzen:

  • PCI-Express: 2,5 GBit/s und 5 GBit/s,
  • Serial-Rapid-IO: 6,25 GBit/s sowie
  • »Backplane Ethernet« (IEEE 802.3ap): 4 x 3,125 GBit/s (10GBase-KX4) und 10 GBit/s (10GBase-KR).

Die Minimalanforderungen an das Eingangs- und Ausgangssignal des Übertragungspfads sind sehr unterschiedlich. Außerdem gibt es keinerlei Vorgaben an die physikalische Beschaffenheit des Channels (Modulkarten, Backplanes, Steckverbinder, etc.). Jedes System ist also separat zu betrachten.

Derzeit arbeitet die PICMG (PCI Industrial Computers Manufacturing Group) an der Spezifikation »PICC« (PICMG Interconnect Channel Characterization) für Grundregeln und Definitionen rund um den Übertragungskanal, wobei die Firma Harting mit involviert ist. Bei der PICC geht es zum Beispiel um die Definition der einzelnen Komponenten des Channels, um für Simulationen und Messungen einheitliche Schnittstellen zu erhalten. Ziel ist eine hohe Austauschbarkeit der elektrischen Simulationsmodelle einzelner Elemente des Channels. Außerdem sollen die Messungen vergleichbarer werden.

Einfluss des Steckverbinders

Wichtige Einflussgrößen für die Güte eines Backplane-Channels sind, wie schon weiter oben angedeutet, Rückflussdämpfung, Einfügedämpfung und Nebensprechen. Während die Einfügedämpfung hauptsächlich von der Einhaltung der Systemimpedanz und den verwendeten Materialien abhängt, entsteht Nebensprechen durch induktive und kapazitive Kopplung der Signalpfade. Der Channel eines Backplane-basierten Systems besteht zum Großteil aus Leiterbahnen. Diese lassen sich recht einfach bezüglich der Impedanz (Leiterbahngeometrien) und des Nebensprechens (Abstand der Leiterbahnen) auf die jeweiligen Systemanforderungen anpassen. Die Einfügedämpfung lässt sich dadurch begrenzen, dass man die Leiterbahnlängen möglichst kurz hält und verlustarme Leiterplattenmaterialien verwendet.

In der Kontaktzone beeinflusst größtenteils die Mechanik des Systems, in dem der Stecker später zum Einsatz kommt, die Stub-Effekte. So werden bei fast allen Backplane-Systemen die Module nach dem Stecken an der Frontplatte befestigt. Dementsprechend bestimmen die Abstände zwischen der Frontplatte und der modulseitigen Steckerhälfte sowie dem Frontplattenanschlag und dem Backplaneseitigen Stecker, wie tief die Kontaktpartner ineinander gesteckt werden. Somit lässt sich der Steckverbinder so auslegen, dass er unabhängig von den Toleranzen des Systems immer sicher kontaktiert. Das heißt, die Einstecktiefe kann durchaus um mehr als 2 mm variieren. In diesem Fall wird der Messerkontakt um diesen Betrag verlängert. Der »überflüssige « Teil des Kontaktes wird dann jedoch zur Stichleitung (Bild 3, schwarzer Kontakt), die je nach Einstecktiefe mehr oder weniger störende Reflexionen hervorruft. Die Einführschrägen des Federkontaktes erzeugen ebenfalls einen Stub-Effekt. Die notwendige Größe dieser Schrägen ergibt sich anhand der erreichbaren Toleranzen der Einzelteilfertigung des Steckverbinders. Weitere Stub-Effekte finden sich vor allem in der Anschlusstechnik, also im Falle der Backplane-Systeme in der Leiterplatte.

Dabei werden nach der Fertigstellung der Backplane die entsprechenden Durchkontaktierungen von der Rückseite her mit größerem Durchmesser tiefenkontrolliert aufgebohrt (Bild 5). Die zurückbleibende effektive Hülse reicht dann nur noch von der Oberfläche bis kurz unter die Signallage. Voraussetzung hierfür ist eine entsprechend angepasste Einpresszone des Steckverbinders, da der kontaktierende Bereich komplett innerhalb der verbleibenden Kupferhülse der Leiterplatte liegen muss. (rh)

Gert Havermann ist Signal Integrity Engineer bei

Harting Electronics
Telefon 0 57 72/47 97 20 0
www.harting-electronics.com

Siehe auch:

Tolerant und flexibel zugleich