Highspeed-Steckverbinder optimieren Geht es noch schneller?

Höher, schneller, weiter: Das passgenaue Design von Highspeed-Steckverbindern erfordert individuell abgestimmte Simulationen schon zu Beginn der Entwicklungsphase.

Das nahende Ende der Anwendbarkeit von Moores Law begleitet die Hochtechnologie schon seit mehreren Jahren: Intel Mitgründer Gordon Moore prophezeite zu Beginn der 60er-Jahre, dass in regelmäßigen Zeiträumen eine Verdopplung der Transistoren in einer integrierten Schaltung stattfinden würde. Doch die Entwickler waren sich damit nicht so sicher: Geht tatsächlich immer mehr? Durchaus: Immer, wenn angebliche Grenzen der Halbleiterfertigung erreicht wurden, ging es trotzdem noch kleiner, noch schneller. Nun mehren sich aber einmal mehr die Ankündigungen: Moores Law sei am Ende.

Jedoch sind auch weiterhin steigende Rechenleistungen aus der Halbleiterbranche zu erwarten und die Abnehmer sind zahlreich. Ob HD-Fernsehen, Serveranwendungen, 3D-Programme: Viele heute selbstverständliche Anwendungen benötigen hohe Bandbreiten der Datenübertragung, die früher unvorstellbar waren.

Diese Einordnung führt automatisch zur Frage: Was ist schnell? Was bedeutet hohe Leistung? Die ernüchternde Erkenntnis dazu lautet: Hier gibt es keine allgemeine Antwort. Vielmehr muss Highspeed relativ betrachtet werden.

Datenübertragung im Wandel der Zeit

Dabei hilft ein beispielhafter Blick auf die Übertragungsgeschwindigkeiten der unterschiedlichen USB-Standards. Alle waren in ihrer jeweiligen Zeit als Möglichkeit der schnellen Datenübertragung bekannt. Jedoch ist die Diskrepanz zwischen USB 1.0 mit 12 Mbit/s im Jahr 1996 und 40 Gbit/s bei USB 4 im Jahr 2019 gigantisch. Die Geschwindigkeit ist in 23 Jahren um mehr als den Faktor 3333 gestiegen (Bild 1).

Und es gibt weitere Beispiele: Neben USB kann auch die PCIx-Spezifikation betrachtet werden. Der Wechsel von Gen 3 (8 Gbit/s) auf Gen 4 (16 Gbit/s) ist gerade erst vollzogen – und es wird bereits an der Spezifikation für Gen 5 mit 32 Gbit/s gearbeitet.

Input und Verarbeitungsleistung steigen zunehmend an. Dabei erweist sich die Aufrechterhaltung der Signalintegrität als immer größere Hürde. Was früher als Problem für den Hochfrequenz-Entwickler angesehen wurde, begegnet aufgrund moderner Datenraten heute auch dem Hardware-Entwickler digitaler Schaltungen.

Während in Analogzeiten mit größter Vorsicht und Präzision die Datenübertragung optimiert wurde, um keine Störungen zu erleiden, ließ sich lange Zeit das schier unendliche Potenzial der Digitalübertragung mit geringerem Layout-Aufwand ausnutzen. Doch ähnlich wie in der Halbleiterindustrie, welche sich stets „scheinbaren“ physikalischen Grenzen näherte und dann auf Innovationen angewiesen war, stößt die Digitalübertragung zunehmend auf Probleme.

So lässt sich verstärkt beobachten, dass Signalstörungen, welche aus dem längst abgelösten Analogzeitalter bekannt waren, bei immer höherer Datenübertragungsgeschwindigkeit wieder relevant werden. Es ist dabei wichtig zu wissen, dass jedes digitale Signal aus einer analogen Quelle generiert wurde. Die Interpretation des elektrischen Signals als elektromagnetische Welle führt dazu, dass auch die Einflüsse aus der Analogzeit mit steigenden Performance-Ansprüchen wieder aktuell werden.

Rise Time – Zustandswechsel von digitalen Signalen

Zu Zeiten immer weiter zunehmenden Datenaustauschs und Datenübertragungen im Rahmen von Anwendungen wie Netflix und 5G-Mobilfunk, ist es essenziell, dass sowohl Steckverbinder-Hersteller als auch Anwender die Einfluss- und Bewertungskriterien von Highspeed-Performance verstehen. Eine Möglichkeit, sich dem Begriff „Highspeed“ anzunähern, bietet die sogenannte Rise Time (Anstiegszeit). Darunter wird die Zeit verstanden, die ein logisches System benötigt, um seinen Zustand zu wechseln (Bild 2).

Digitale Systeme operieren idealisiert auf rechteckförmigen Signalen, welche ihren Zustand instant wechseln können. In der Realität benötigt der Zustandswechsel jedoch Zeit. Die Rise Time beschreibt die Zeit, in der das Signal zwischen zwei definierten Amplitudenwerten (in der Regel 10 und 90 Prozent) liegt. Je geringer die Rise Time, desto größer die Bandbreite.

Welcher Steckverbinder ist für welche Anwendungen geeignet?

Einen Teil dieser Frage soll die Performance-Angabe der Steckverbinder-Hersteller beantworten. Doch gehen die Spezifikationen keinen einheitlichen Weg. Einige Hersteller spezifizieren im analogen Frequenzspektrum (GHz), während andere die digitale Datenübertragungsrate (Gbit/s) angeben. Beide Werte werden üblicherweise über Einfügedämpfungsmessungen ermittelt. Häufig wird der Frequenzbereich bis zum Erreichen einer Einfügedämpfung von -3dB verwendet. An diesem Punkt liegt die entsprechende Grenzfrequenz. Anhand der in der entsprechenden Applikation möglichen logischen Zustände pro Amplitude ergibt sich die Datenübertragungsrate aus der Verdopplung der Grenzfrequenz.

Steckverbinder-Design für Highspeed optimieren

Bei Neuentwicklungen ohne eine Zielspezifikation ist eine enge Abstimmung mit den Kunden unerlässlich für die Hersteller der Steckverbinder. Je genauer die Einsatzbedingungen, Anforderungen und Möglichkeiten bekannt sind, desto besser kann das Produkt darauf abgestimmt werden. Von zentraler Relevanz sind der zur Verfügung stehende Platz, die Vorstellungen beim Design, gewünschte Anschlusstechnologie, Pinbedarf sowie -belegung und Performance-Ansprüche.

Eine Herausforderung im Highspeed-Steckverbinder-Design liegt in der Steuerung der Impedanz des Steckverbinders. Sie wird von induktiven und kapazitiven Eigenschaften bestimmt, welche wiederum von Größe, Anordnung und Design der Pins abhängt. Auch muss die Einbringung von Dielektrika in den Steckverbinder genau evaluiert werden, da diese die Signalintegrität durch die Beeinflussung der Signalausbreitung beeinflussen können.

Zur Berechnung der Impedanz gilt:

Es ist jedoch zu beachten, dass sich die Impedanz entlang des Signalpfades im Steckverbinder ändert, abhängig von Geometrie- und Querschnittsänderungen. Bei der Steuerung der Impedanz zeigen sich deshalb mehrere Einflüsse.

Eine sinkende Impedanz wird durch eine Reduktion des induktiven Anteils beziehungsweise durch eine Erhöhung des kapazitiven Anteils erreicht. Ein gängiges Beispiel sind dickere Signalpins. Entsprechend gegenteilig werden steigende Impedanzen erzielt. Dies ist durch eine Erhöhung des Pinabstands zu realisieren. Das Isolierkörpermaterial beeinflusst die Kapazität, da der dielektrische Wert mit der Kapazität zusammenhängt. Ein höherer Dielektrizitätswert senkt die Impedanz.

Eine Impedanz-Fehlanpassung hat zur Folge, dass ein Teil der Signale reflektiert wird und sie deshalb ihr Ziel nicht erreichen können. Je höher die Übertragungsfrequenz ist, desto kürzer ist die zur Verfügung stehende Zeit zur Übertragung einer Periodenlänge des Signals.

Wie wird Impedanz gemessen?

Impedanzen werden über die sogenannte Zeitbereichsreflektometrie (Time Domain Reflectometry, TDR) ermittelt. Diese ermöglicht eine Betrachtung der Signalübertragungsumgebung über einen Zeitbereich hinweg, indem Lauflängen und Reflexionen von elektrischen Signalen erkannt werden.

Hierfür wird ein Impuls in den Signalpfad gegeben. Solange sich das Medium nicht verändert, bleibt die Wellenimpedanz entlang des Signalpfades gleich. An jeder Änderung (Querschnitt, Material, Signalstörung von außen) verändert sich die Impedanz und es entstehen Reflexionen, welche entlang des Signalpfades zurückgeworfen werden. Stärke und Ankunftszeit der Reflexionen erlauben die Ermittlung der jeweiligen Impedanz entlang des Signalpfades (Bild 3).

Apparent Impedance (Scheinimpedanz)

Die Optimierung einer Komponente für ein bestimmtes Impedanz-Profil bedeutet jedoch nicht, dass sie in einer anderen Umgebung keinesfalls eingesetzt werden kann. Das Konzept der „Apparent Impedance“ beschreibt die effektiv vorliegende Impedanz in einer definierten Signalkette bei einer eindeutigen Rise Time oder Frequenz. Je höher die Rise Time, desto näher liegt diese Impedanz an jener des restlichen Systems. Für den Anwender ist dies besonders wichtig, da nicht zwangsweise ein Steckverbinder mit einer zum System passenden Impedanz verwendet werden muss. Vielmehr muss die schnellste Rise Time für die Systemanwendung ermittelt und die entsprechend vorliegende Impedanz des Steckverbinders evaluiert werden.

Wie zuvor beschrieben, haben Impedanz-Abweichungen Signalreflektionen zur Folge. Dies wird hauptsächlich in Form von Insertion Loss (Einfügedämpfung) und Return Loss beobachtet.

Insertion Loss beschreibt den Signal- beziehungsweise Leistungsverlust entlang des Signalpfades als Verhältnis von ausgehendem zu eingehendem Signal. Die Einfügedämpfung setzt sich aus unterschiedlichen Komponenten zusammen. So spielen Kopplungsverluste, dielektrische Verluste, Reflektionsverluste, Leiter- und Strahlungsverluste eine Rolle.

Als Return Loss wird der Anteil des zurückgeworfen Signals am eingefügten Signal verstanden. Bei einem gegebenen Impedanz-Profil eines Steckverbinders bleibt einem Systemdesigner nur wenig Spielraum, den Return Loss weiter zu beeinflussen. Am ehesten kann die Rise Time oder die Signalpfadzuweisung beeinflusst werden.

Bewertung der Signalqualität anhand des Augendiagramms

Eine anschauliche Möglichkeit zur Beurteilung der »Lesbarkeit« eines Signals bietet das sogenannte Augendiagramm. Es zeigt, ob ein übertragenes Signal im Empfänger eindeutig den digitalen Zuständen 1 oder 0 zugeordnet werden kann.

Hierfür durchläuft ein Signal eine definierte Übertragungsstrecke, wird dabei mit einem Oszilloskop aufgenommen, überlagert und dargestellt. Auf die Weise werden sämtliche mögliche Signalverläufe »übereinander« dargestellt. In der Theorie sind die Übergänge der logischen Zustände dabei unendlich steil und die Signallinien exakt übereinander dargestellt. Durch Signaleinflüsse und -störungen flacht der Signalanstieg ab und die Amplitudenhöhe verändert sich. Dadurch wird die namensgebende Form eines Auges erreicht (Bild 4).

Der Bereich in der Mitte des Diagramms ist die sogenannte Eye Mask. In diesem Bereich kann ein Signal nicht eindeutig zugeordnet werden. Die Breite des Auges gibt den möglichen Zeitraum zum Abtasten des Signals an, der durch Jitter und Symbolübersprechen limitiert wird.

Die beiden Augendiagramme zeigen die Einflüsse von Leitungslänge und Impedanz am Beispiel der Colibri-Steckverbinder von ept. Während das erste Auge durch kurze Leitungslänge und 100 Ω Impedanz schön ausgebildet wird, zeigt sich beim zweiten Auge durch eine höhere Leitungslänge und unterschiedliche Impedanzen auf beiden Boards (100 Ω und 110 Ω) eine schlechtere Signalqualität.

Steckverbinder simulieren

Die vielfältigen Einflusskriterien, Spannungsfelder und Abhängigkeiten erschweren die Planung neuer Highspeed-Steckverbinder. Deshalb wird in frühen Entwicklungsphasen ein hoher Aufwand in die Evaluierung der exakten Anforderungen (auch in Kooperation mit Kunden) und in die Simulation möglicher Designs investiert. Je exakter die Anforderungen bekannt sind, desto zielgerichteter lässt sich der Steckverbinder optimieren. Die festgelegten Pinouts vieler Übertragungsstandards sind dabei von großer Hilfe. So helfen bereits berücksichtigte Ground-Kanäle den Crosstalk zu reduzieren, ohne die Pin-Abstände zu groß werden zu lassen.

Der Steckverbinder-Hersteller generiert aus seinen 3D-Daten die Streu-Parameter (S-Parameter) und erfasst somit den Entwicklungsfortschritt. Im Regelfall erhalten die Kunden die S-Paramater des Endproduktes, um damit das eigene Design simulieren zu können.

Mit Hilfe von Simulationen lässt sich verhältnismäßig genau ein späteres Verhalten der Steckverbinder analysieren sowie auch die Sensitivität der Steckverbinder auf die Umgebungsbedingungen verifizieren. Die ersten Entwicklungsiterationen finden also noch vor dem Auftrag für Prototypenwerkzeuge statt.

Aktuelles Beispiel: Der Steckverbinder Colibri 16+

Ausgeklügelte Optimierungen im Kontaktdesign der Steckverbinder sorgten für die Releases der 10+ Gbit/s- und seit Ende letzten Jahres auch der 16+ Gbit/s-Versionen; alles bei Aufrechterhaltung der Steckkompatibilität. Obenstehende Grafik zeigt die deutliche Verbesserung der Einfügedämpfung des Colibri-Steckverbinders für Anwendungen mit 16+ Gbit/s (Bild 5).

Durch die Kontaktdesign-Optimierung des Plugs konnte eine Verbesserung von bis zu 35 Prozent erreicht werden. Damit ermöglicht der Colibri Plug 16+ eine zuverlässige Datenübertragung von USB 3.1 Gen 2 und PCI-Express-4.0- Signalen. Dies zeigt, wie groß der Einfluss jedes einzelnen Elements im Zusammenspiel des Steckverbinders sein kann.    sd