Steckverbinder für Multigigabit-Systeme
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Stub-Effekte bei Steckverbindern
Anders als bei der Leiterplatte bieten die Steckverbinder in diesem Channel nur wenig Freiheitsgrade. Aufgrund der Komplexität der Einzelteile ist die Impedanz innerhalb eines Steckverbinders nicht konstant. Die resultierende Impedanz der Terminierungen (Einpress- oder Einlöt- bzw. Auflötpin) ergibt sich erst zusammen mit der Leiterplatte.
Impedanzabweichungen reflektieren das Signal und verschlechtern damit die Übertragungseigenschaften. Das Nebensprechen hängt vom Abstand der signalführenden Teile zueinander ab, was dem Trend zu höheren Signaldichten bei Steckverbindern zuwiderläuft. Oftmals lässt sich das Nebensprechen durch geschickte Pinbelegung minimieren. Die Einfügedämpfung ist aufgrund der kurzen Kontaktlängen verhältnismäßig gering. Auf drei Aspekte muss der Anwender also sein Augenmerk legen: Impedanz, Nebensprechen und Einfluss der Terminierungen.
Durch sorgfältiges Auslegen der Kontaktgeometrien muss der Anwender ein möglichst flaches Impedanzprofil über die Frequenz generieren. Da Multigigabit-Signale fast ausschließlich in LVDS (Low Voltage Differential Signaling) ausgeführt werden, muss er die Kontakte so zueinander ausrichten, dass die differenzielle Impedanz 100 Ω ergibt. Einzelkontakte sollten nach Möglichkeit eine Impedanz von 50 Ω aufweisen, um auch eine gute Übertragung von einfachen Signalen zu ermöglichen. Ein weiterer Bonus wäre, durch geschickte Kontaktbelegung eine Impedanz von 75 Ω (findet sich immer noch in sehr vielen Systemen) erreichen zu können.
Sollten die Abstände zwischen den Kontakten nicht ausreichen, um das Nebensprechen entsprechend gering zu halten, muss der Anwender die Signalkontakte schirmen.
Insbesondere bei hohen Kontaktdichten liegt die Hauptursache von Impedanzsprüngen und Nebensprechen im Anschlussfeld des Steckverbinders in der Leiterplatte, also bei den Terminierungen. Das Anschlussfeld sollte möglichst kleine Durchkontaktierungen in der Leiterplatte benötigen. Dadurch lässt sich das kapazitive Verhalten der Durchkontaktierung minimieren, andererseits bietet man damit den Durchkontaktierungen den maximalen Platz für Leiterbahnen. Zudem vergrößert sich durch kleinere Lochdurchmesser der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen, was das Nebensprechen verringert. Insbesondere bei Backplane-Steckverbindern ist ausreichender Platz für Leiterbahnen im Anschlussfeld wichtig für die Signalintegrität, da aufgrund der engen Platzverhältnisse auf einer Backplane ein Großteil der Leiterbahnen durch Anschlussfelder gelegt werden muss. Je mehr dieser Leiterbahnen auf der gleichen Lage nebeneinander verlaufen können, desto weniger Lagen benötigt man insgesamt und desto kleiner fallen die so genannten Stub-Effekte aus.
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Stub-Effekte beschreiben Signalreflexionen, die durch Stichleitungen (elektrisch unnötige Abzweigungen vom Signalweg) entstehen. Fast bei jedem Steckverbinder und bei den meisten Leiterplatten treten solche Stichleitungen unvermeidbar auf. Durch entsprechenden technischen Einsatz lassen sich die Effekte oft reduzieren, entscheidend ist dann die Verhältnismäßigkeit der Maßnahmen.
Innerhalb eines Steckverbinders treten diese Effekte an zwei markanten Stellen auf: am Festsitz des Kontaktes und in der Kontaktzone. Der Festsitz des Kontaktes ist allein vom Steckverbinderdesign abhängig und daher gut kontrollierbar. Bei einem sehr einfachen Steckverbinder hat der Kontakt zum Beispiel einen Haltepfosten, der im Isolierkörper einrastet (Bild 2). Ein Signal, das über diesen Kontakt übertragen wird, teilt sich am Fuß dieses Haltepfostens. Der Teil des Signals, der in diesen hineingeht, wird an dessen Ende komplett reflektiert. Dieses reflektierte Signal teilt sich wiederum am Fuß des Kontakts in Richtung Sender und Empfänger und überlagert sich dort dementsprechend mit dem Nutzsignal. Eine mögliche Lösung wäre, den Kontakt durch eine Umspritzung zu halten. Dann kann man größtenteils auf Haltepfosten verzichten.
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