为数据密集型应用应用稳健互连的 5 条设计原则

如今，地理定位测绘、无人机 (UAV) 视频流、光成像检测和测距 (LiDAR) 传感以及其他数据密集型军事和航空航天应用对快速数据速度的需求几乎是无限的。士兵们立即想知道：踪迹清晰吗？这是正确的方向吗？飞行路径是否有障碍物？

为了实时提供答案，嵌入式系统和电子设备必须采用比商业级解决方案更强大的互连技术，同时支持高速协议（10-Gigabit Ethernet、USB 3.0、InfiniBand）以及高速总线（VPX、 PCI Express-PCIe）。为帮助开发人员应对这些挑战，本简要概述介绍了应用可支持高速并保持高信号完整性的稳健互连的五项设计原则。

1. 遵循完整的信号路径

在项目开始时，将互连整体视为系统的一部分而不是最后一分钟的事后想法是很有价值的。每个连接都很重要。这是因为电子封装的每一级都对互连保持信号完整性的能力提出了独特的要求。每个互连都被要求在六个不同级别的电子封装中的每一个级别上保持数据速率和性能：

• 级别 1： 基本电路元件与其引线之间的连接。

• 2 级： 元件引线与印刷电路板 (PCB) 之间的连接，例如集成电路 (IC) 插座。

• 3 级： 两块电路板之间的连接，通常是板对板连接，包括一体式卡边连接器和两件式连接器和堆叠式连接器。

• 4 级： 两个子组件之间的连接，通常涉及电线和电缆，或当设备需要在其外壳内安装多个子组件时的接头。

• 5 级： 从子组件到系统输入/输出 (I/O) 端口的连接，通常涉及使用电缆或直接连接（例如板装隔板连接器）连接到子组件。

• 6 级： 物理上分离的系统之间的连接，通常使用铜缆或光纤电缆将分离系统的 I/O 端口连接到其他设备、外围设备和网络交换机。可能还涉及使用天线的无线连接。

2. 以电优化路径为目标

每当信号进出电路或组件时，它就会失去强度。由此产生的信号衰减——称为“插入损耗”，以分贝 (dB) 为单位——是每个互连中机电特性的固有副作用。总插入损耗是多种因素的乘积，包括阻抗失配、导体损耗（信号线中导体造成的能量损失）和介电损耗（电介质材料本身造成的能量损失）。

尽管无法消除插入损耗，但设计人员可以选择使用对信号完整性影响最小的材料和设计互连。例如，在高速应用中，设计人员通常希望连接器的插入损耗额定值为 –1-dB 或更低，以确保足够的信号强度。考虑到传输线中影响信号完整性的其他因素，设计人员需要为给定应用确定可接受的通道电平。

3. 确保阻抗和路径长度匹配

当互连对与电路其余部分不同的电流表现出电阻或电抗时，会导致阻抗不连续或不匹配。阻抗失配会产生信号反射，影响信号沿传输线传输时的完整性。信号反射的一种形式是“回波损耗”，即由于阻抗不匹配而反射回源的能量。

除非组件本身是定制的，否则设计人员通常无法改变连接器或电缆内的阻抗。因此，设计目标通常是使互连的阻抗与参考环境的阻抗相匹配。例如，在 75 Ω 系统中，75 Ω 连接器比 50 Ω 连接器在电气上更不可见。

选择触点、电缆和其他具有物理几何形状或介电材料的元件，以最大限度地减少阻抗不连续性，是保持信号完整性的第一步。第二步是确保所有组件到组件的过渡区域都得到一致的管理。这些区域包括焊点、压接和电线到连接器的过渡区域。目标频段中低于 –10 dB 的回波损耗值是一个典型的目标，尽管可以为给定的传输路径确定可接受的最大值和最小值。

当互连中使用两个或多个并行信号路径时，路径长度也很重要，例如在差分对信号中。在这种情况下，电气路径长度必须精确匹配。否则，每个信号通过互连传播所需的时间将不同。由此产生的传播延迟，称为差分对中的“偏斜”，将对系统时序产生负面影响，并增加插入损耗、阻抗失配和串扰。