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Board-to-Baord-Steckverbinder mit HF-Signaleigenschaften
Im Idealfall lässt sich die gesamte Elektronik auf einer kompakten Leiterplatte unterbringen. In der Praxis sind jedoch oft mehrere Boards nötig. Board-to-Board-Steckverbinder spielen hier dank ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten klar ihre Vorteile aus.
Es gibt sie in vielen Formen und Größen, die unterschiedliche Konfigurationen erlauben: Board-to-Board-Steckverbinder, kurz BTB, mit denen sich Platinen zuverlässig verbinden lassen. Da sie mechanisch robust sowie hochstrom- und hochleistungsfähig sind, können sie Signale und Daten schnell und sicher zwischen den entsprechenden Leiterplatten transportieren. Ihr Spektrum ist vielfältig und umfasst sowohl hochspezialisierte Lösungen als auch Allrounder, die für zahlreiche Anwendungen wie etwa für industrielle Steuerungssysteme, Display- und Kamera-Schnittstellen sowie medizinische Anwendungen mit hoher Packungsdichte geeignet sind.
Egal ob zwei oder mehr Leiterplatten zu verbinden sind, Entwickler müssen die für die jeweiligen Applikationen geeigneten BTB-Steckverbinder auswählen. Bei den vielen Variationen gilt es, sich mit unterschiedlichen Pin-/Pad-Zahlen, mechanischen Kodierungen nebst passenden Gegenstücken, Gehäuseformen, Montagearten (SMT vs. THT) und Spezifikationen zu befassen.
Ein kleiner Trost: Die Verfügbarkeit so vieler BTB-Steckverbindertypen ermöglicht zahlreiche Layout- und Platzierungsmöglichkeiten.
Da aber die Nuancen und die Komplexität oft unterschätzt werden, ist die richtige Auswahl alles andere als trivial. Falsch ausgewählte Steckverbinder können letztlich das Design vollständig untergraben, was sich beispielsweise durch Probleme mit dem Formfaktor oder der Signalintegrität oder auch später im Feldeinsatz negativ auswirken kann.
Worauf ist also bei der richtigen Auswahl zu achten – insbesondere unter Berücksichtung der Signalintegrität?
Steckverbinder mit feinem Pitch
Mit der Steckverbinderserie "WR-BTB 0,4 mm Raster" und "WR-BTB 0,5 mm Raster" für Hochgeschwindigkeitsanwendungen schickt Würth Elektronik präzisionsgefertigte BTB-Steckerbinder mit verschiedenen Konfigurationen ins Rennen, die sich insbesondere mit einer hohen Signalintegrität auszeichnen. Die Baureihe mit 0,4 mm weist ein flaches Profil auf, wodurch sie aufgrund ihrer geringen Stapelhöhe zuverlässig eine Vielzahl unterschiedlicher Anforderungen in der Produktentwicklung erfüllen können. Die Experten von Würth Elektronik haben mit beiden Steckverbinderserien Hochfrequenztests unter Verwendung kundenspezifischer Prüfvorrichtungen durchgeführt.
Dabei wurden die Steckverbinder auf eigens entwickelten Testleiterplatten mit auf 50 Ohm (100 Ohm differentiell) ausgelegten Übertragungsleitungen vermessen. Um die Leitungsverluste zu berücksichtigen, wurden entsprechende Leiterplatten zur Kalibrierung entwickelt und durchgemessen. Für den Testaufbau kam der Vektornetzwerkanalysator VNA ZVB 20 von Rohde & Schwarz zum Einsatz, der für einen Frequenzbereich von 10 MHz bis hin zu 20 GHz ausgelegt ist (Bild 1).
Zugrunde gelegt sei, dass die folgenden Signaleigenschaften für alle Pins der betreffenden Komponenten gelten, mit Ausnahme derjenigen an den äußersten Positionen. (Bild 2) Es wird empfohlen, diese Pins für Niederfrequenzsignale, für die Stromversorgung oder als Masse-Rückleiter zu verwenden. Tatsächlich berücksichtigen die meisten High-Speed-Signalisierungsstandards dies bereits.
Die GSG-Signalkonfiguration geht davon aus, dass die Signalübertragungsleitung im Steckverbinder aus einem Pin (S) besteht, der von zwei Pins (G) umgeben ist, die entweder zur Masseführung oder zum Transport nicht verwandter Signale dienen. Hingegen geht die GSSG-Differenzsignal-Konfiguration davon aus, dass die Signalübertragungsleitung im Steckverbinder aus zwei benachbarten Pins (SS) besteht, die ein differentielles Signal führen, und dass diese von zwei Pins (G) umgeben sind, die zur Masseführung oder zum Transport nicht verwandter Signale verwendet werden.
Single-Ended-Signale
Die Impedanz in der GSG-Konfiguration beträgt 50 ± 10 Ohm (simuliert: 48 Ohm). Wird das System mit einer 50-Ohm-Übertragungsleitung in einer GSG-Testvorrichtung getestet, lässt sich das experimentelle Einfügungsdämpfungsprofil mit einem Sicherheitsaufschlag anhand der folgenden Gleichung modellieren:
ILf=Af2+Bf+C
Die Gleichung beschreibt, dass die Einfügedämpfung (Insertion Loss, IL) der Verbindung, gemessen in einer 50-Ohm-GSG-Testvorrichtung, durch eine Polynomfunktion zweiten Grades in Abhängigkeit der Frequenz f angenähert werden kann. Das Modell enthält bewusst eine Sicherheitsmarge und überschätzt die tatsächlichen Verluste leicht, um eine konservative und sichere Leistungsabschätzung sicherzustellen. Hierbei gilt:
- C: Der konstante Term C stellt die Basisdämpfung bei Gleichstrom (DC, 0 Hz) dar. Idealerweise liegt dieser Wert nahe 0 dB, kann jedoch systembedingte Offsets der Testvorrichtung oder verbleibende Restverluste beinhalten.
- Bf: Der lineare Term Bf beschreibt frequenzabhängige Verluste, die annähernd proportional zur Frequenz zunehmen. Dazu zählen insbesondere Leiterverluste bei niedrigen Frequenzen sowie geringe dielektrische Verluste.
- Af 2: Der quadratische Term Af ² modelliert Verlustmechanismen, die mit steigender Frequenz überproportional anwachsen, wie etwa dielektrische Verluste, Effekte der Stromverdrängung (Skin-Effekt) oder dispersive Effekte.
Unter Verwendung der folgenden Parameter, wobei f in GHz angegeben ist, ergeben sich die in Tabelle 1 ausgeführten Werte für die BTB-Serien mit einer GSG-Konfiguration.
Die aus der obigen Formel abgeleiteten Parameter ergeben sich in den dargestellten Diagrammen im Bild 3.
Daraus ergeben sich folgende Werte:
Bei der WR-BTB-Serie 0,4 mm beträgt die Sicherheitsmarge dieses Verlustprofils etwa 0,3 dB bei 500 MHz und 1 dB bei 17 GHz. Zwischen 11 GHz und 14 GHz überschätzt es den Insertion-Loss um etwa 5 dB.
Bei der WR-BTB-Serie 0,5 mm beträgt die Sicherheitsmarge dieses Verlustprofils etwa 0,2 dB bei 500 MHz und 1 dB bei 18 GHz. Zwischen 10 GHz und 17 GHz überschätzt es den Insertion-Loss um etwa 5 dB.
Differenzielle Signale
Darüber hinaus wurde auch die differenzielle Signalübertragung getestet, mit dem Resultat, dass für die differentielle Impedanz in einer GSSG-Konfiguration der 0,4-mm-Raster-Steckverbinder ein Wert von 100 ± 10 Ohm (simuliert: 97 Ohm) ermittelt wurde. Ähnlich auch bei der 0,5-mm-Raster-Serie: Hier beträgt die differentielle Impedanz in einer GSSG-Konfiguration 100 ± 10 Ohm (simuliert: 96 Ohm).
Wird der Steckverbinder mit einer 100-Ohm-Referenz-Differenzialleitung in einer GSSG-Testvorrichtung getestet, ist es möglich, das experimentelle Einfügungsdämpfungsprofil (in dB) mit einem Sicherheitsaufschlag anhand der folgenden Gleichung zu modellieren:
ILf=Af2+Bf + C
Unter Verwendung der Parameter f in GHz ergeben sich die in Tabelle 2 ermittelten Werte der GSSG-Konfiguration.
Die aus der obigen Formel abgeleiteten Parameter ergeben in den dargestellten Diagrammen in Bild 4.
Somit beträgt die Sicherheitsmarge dieses Verlustprofils etwa 0,2 dB bei 500 MHz und 1 dB bei 18 GHz (WR-BTB 0,4 mm) bzw. 20 GHz (WR-BTB 0,5 mm). Welche Interpretation lassen diese Testreihen letzten Endes zu? Die Interpretation und der Vergleich der beiden Ergebnisse zeigen, dass die GSG-Konfiguration bei den BTB-Steckverbindern mit 0,4-mm-Raster bis zu etwa 3 GHz eine geringe Dämpfung von ungefähr 3 dB aufweist, die danach jedoch relativ stark ansteigt. Bei den BTB-Steckverbindern mit 0,5-mm-Raster zeigen sich gleiche Effekte ab: Bis zu 5 GHz weisen die Steckverbinder eine geringe Dämpfung von ungefähr 3 dB auf, die danach ebenfalls relativ stark ansteigt. Die Dämpfung ist auf eine Impedanzfehlanpassung zurückzuführen, die zu Reflexionen und Signalverzerrungen führen kann.
Die GSSG-Konfiguration hingegen zeigt aufgrund ihres differentiellen Charakters eine deutlich geringere Dämpfung und erreicht im Falle der BTB mit 0,4-mm-Raster den 3-dB-Punkt erst bei etwa 13,5 GHz und im Falle der BTB-0,5-mm-Raster erst bei etwa 17 GHz. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Zunahme von differenziellen seriellen Signalübertragungsprotokollen über massiv parallelen Bussystemen.
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