Các thiết bị điện tử không ngừng bị thu hẹp lại, trong khi tốc độ truyền tải dữ liệu không ngừng tăng lên. Đối với các nhà thiết kế, để tuân thủ xu hướng này, họ phải có khả năng tích hợp nhiều mạch hơn trong một không gian nhỏ hơn trong khi vẫn duy trì tốc độ truyền dữ liệu, độ tin cậy và tính toàn vẹn của tín hiệu. Các nhà thiết kế cũng phải giải quyết các vấn đề về làm mát không khí và cách ly vật lý để giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI) nhiều nhất có thể.
Xếp chồng các bảng mạch in (board PC) là phương pháp phổ biến để tăng mật độ mạch. Bằng cách sử dụng các bo mạch con và bo mạch phụ xen kẽ, có thể thu được nhiều không gian bảng mạch hơn, đồng thời xây dựng các đường dẫn cách ly tín hiệu và làm mát.
Bài viết này phác thảo ngắn gọn những thách thức khác nhau mà các nhà thiết kế mạch tốc độ cao phải đối mặt. Sau đó giới thiệu các đầu nối bo mạch của W ü rth Elektronik và giải thích cách sử dụng các đầu nối này để đạt được kết nối tín hiệu đáng tin cậy trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu.
Bảng điều khiển bánh sandwich
Bố cục của bảng sandwich bao gồm hai bảng mạch song song xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, được kết nối điện thông qua các đầu nối bảng với bảng (Hình 1, bên trái).
Bảng mạch gắn trên bánh sandwich nhiều cột
Hình 1: Hình ảnh bên trái hiển thị các ví dụ về nhiều bảng mạch in (PCB) gắn trên bánh sandwich; Hình bên phải thể hiện phương pháp lắp đặt bảng phụ, có thể lắp đặt thông qua các đầu nối, công nghệ gắn bề mặt hoặc cột cách ly bằng ren. (Nguồn hình ảnh: W ü rth Elektronik)
Sự sắp xếp giữa bảng mạch này bao gồm hai bảng mạch mang lại nhiều không gian vật lý hơn cho mạch điện. Cấu trúc này có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất thể tích, đạt được khả năng thay thế lẫn nhau hoặc tạo thành sự cách ly vật lý để cải thiện luồng không khí và giảm EMI. Đầu nối bo mạch với bo mạch được kết nối trực tiếp với bảng mạch mà không cần sử dụng dây cáp. Đầu nối bảng sandwich có thể đạt được nhiều chiều cao xếp chồng với khoảng cách bảng được xác định. Bảng mạch phía trên có thể được đỡ và cố định bằng các đầu nối, hoặc cố định bằng các cột cách ly gắn trên bề mặt hoặc có ren để tăng cường khả năng chống rung, chống va đập (Hình 1, bên phải).
Các yếu tố cần xem xét về tính toàn vẹn của tín hiệu
Tính toàn vẹn của tín hiệu mô tả cách tín hiệu bị méo hoặc suy giảm khi truyền từ bảng mạch này sang bảng mạch khác thông qua các đầu nối. Một số hiệu ứng này, chẳng hạn như điện trở tiếp xúc, không phụ thuộc vào tần số và có thể dễ dàng đưa vào tính toán và hiệu chỉnh.
Tuy nhiên, hai tham số chính về tính toàn vẹn của tín hiệu liên quan đến tần số là hệ số phản xạ (ρ) và hệ số truyền (t) (Hình 2). Hệ số truyền thường được biểu thị bằng decibel (dB) bằng suy hao chèn. Hệ số phản xạ (tổn hao phản hồi) là do sự phản xạ của tín hiệu dữ liệu trở lại nguồn tín hiệu khi gặp các bước giá trị trở kháng. Suy hao chèn được sử dụng để định lượng độ suy giảm của đường truyền. Cả hai đều phụ thuộc vào trở kháng đầu nối (ZCAB) so với trở kháng đường dây của bo mạch PC (Zs).
Cả suy hao phản hồi và suy hao chèn đều phụ thuộc vào trở kháng của đầu nối
Hình 2: Suy hao phản hồi và suy hao chèn phụ thuộc vào trở kháng của đầu nối so với trở kháng đường dây của bo mạch PC. (Nguồn hình ảnh: W ü rth Elektronik)
Suy hao truyền sẽ làm giảm biên độ tín hiệu truyền qua đầu nối và tỷ lệ thuận với độ dài đường dẫn cũng như cấu trúc hình học của đầu nối. Nhiễu xuyên âm ở đầu gần (NEXT) hoặc nhiễu xuyên âm ở đầu xa (FEXT) cũng có thể gây tổn thất năng lượng. Suy hao phản hồi và hệ số truyền là các thông số phụ thuộc tần số phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa trở kháng đầu nối (được mô phỏng như cáp) và trở kháng đường truyền của bảng mạch (giả định là 50 Ω trong ví dụ này). Hệ số phản xạ và hệ số truyền được xác định theo công thức trên.
Hình 2 cho thấy sự thay đổi của các thông số này với trở kháng của đầu nối (cáp). Nếu trở kháng của đầu nối là 50 Ω thì tổn hao phản hồi theo lý thuyết bằng 0 và hệ số truyền là 100%, biểu thị không có tổn thất. Nếu trở kháng của đầu nối lệch khỏi 50 Ω thì sự thay đổi các thông số liên quan sẽ tỷ lệ thuận với giá trị độ lệch và tần số của trở kháng đầu nối so với 50 Ω. Trong đầu nối, trở kháng phụ thuộc vào vật liệu cách điện được sử dụng và cấu trúc hình học của các chân, bao gồm chiều rộng, chiều dài và khoảng cách (khoảng cách). Ngoài ra, việc đấu dây của các chân liền kề cũng có thể ảnh hưởng đến nó.
Có hai cấu hình nối dây phổ biến để truyền dữ liệu tốc độ cao (Hình 3): một là cấu trúc một đầu, trong đó tín hiệu dữ liệu được nối đất; Một loại khác là cấu trúc vi sai, sử dụng hai đường tín hiệu bổ sung và biên độ của tín hiệu dữ liệu là chênh lệch điện áp giữa hai đường tín hiệu. Tín hiệu vi sai được sử dụng để giảm nhiễu và nhiễu trên đường tín hiệu kép. Nói chung, tín hiệu vi sai được sử dụng cho các ứng dụng có tốc độ dữ liệu cao nhất. Tín hiệu dữ liệu thường được ghép nối với một hoặc nhiều tín hiệu mặt đất để giảm nhiễu.