고속 데이터 통신에서 신호 무결성을 보장하는 올바른 케이블 조립품 사용

전자 시스템 아키텍처는 콤팩트한 폼 팩터를 갖추고 높은 수준의 변조 체계로 빠른 데이터 전송률을 달성할 수 있어야 합니다. 따라서 설계자는 신호 무결성을 유지하고 최대 비트 오류율(BER) 요구 사항을 충족하도록 전송선 손실을 최소화하고 잡음, 반사 및 누화에 대한 민감성을 줄이는 작업을 진행하며, 이 과정에서 인쇄 회로 기판(PC 기판)의 레이아웃이 복잡해집니다. 또한 IC 간 또는 기판 간의 전기 또는 광학 다중 레인 신호의 신호 스큐를 최소화해야 하며, 이는 특히 차동 신호 쌍에서 중요합니다.

이러한 요구사항에 대응하여, PC 기판 트레이스에 전적으로 의존하는 대신 고속 케이블 조립품을 사용해 표준 기판을 사용할 수 있도록 하면 비용이 상승하는 것을 피할 수 있습니다. 이러한 조립품은 단일 종단 및 차동 구성, 첨단 소재, 탁월한 신호 무결성을 제공하는 기술을 사용하며, 구리 또는 광섬유로 된 고밀도 다중 레인 신호 경로를 지원합니다. 구현 형태에 따라 최대 64Gbps의 작동 속도를 발휘할 수 있습니다.

이 기사에서는 더 빠른 속도에 대한 필요성을 주도하는 것이 무엇인지 알아보고 이러한 요구에 대응하는 방법을 설명합니다. 그런 다음 Samtec의 고속 케이블 조립품을 소개하고 그 기능과 용도를 설명합니다.

속도 향상에 대한 필요성

통신 속도 향상은 전 세계적인 요구사항입니다. 5G 및 6G 셀룰러, 인공지능(AI), 양자 컴퓨팅 및 '빅데이터' 같은 응용 분야는 새로운 시스템 아키텍처를 주도하며, 장치와 시스템의 크기는 줄이면서도 더 빠른 전송 속도와 더 높은 대역폭을 요구합니다. 이러한 개발용 기술에는 잡음, 누화, 반사, 전자파 장해, 기타 손실 및 전파 방해원이 존재하는 상황에서 최고의 신호 무결성을 제공하면서 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 유지할 수 있는 상호 연결이 필요합니다.

속도가 빨라지면서 연결 기술에도 변화가 필요했습니다. 첫째, 귀로(주로 '접지'라고 함)라는 단일 전선을 통해 데이터가 이동하는 단일 종단 신호 전송은 두 개의 전선이 180˚로 위상을 달리하여 데이터 신호를 전송하는 차동 신호 연결로 대체되고 있습니다. 차동 신호는 두 컨덕터에 공통으로 발생하는 잡음(공통 모드 잡음)을 억제하여 SNR을 개선합니다. 둘째, 데이터 인코딩 방식은 클록 주기당 단일 비트, NRZ(비 복귀 기록, non-return to zero) 인코딩에서 펄스 진폭 변조 4레벨(PAM4)과 같이 클록 주기당 4가지 레벨 또는 2비트를 인코딩하는 클록 주기당 다중 비트 인코딩으로 바뀌는 중입니다(그림 1).

그림 1: NRZ 데이터에 대한 눈 구성도(오른쪽)에서는 클록 주기당 두 가지 상태(1 또는 0)가 가능하며, PAM4(왼쪽)에서는 클록 주기당 네 가지 상태(00, 01, 10, 11)가 가능합니다. (이미지 출처: Art Pini)

PAM4는 00, 01, 10, 11로 인코딩된 네 가지 레벨을 사용하여 각 클록 주기에 2비트의 데이터를 운반합니다. 그러면 고정 클록 속도의 데이터 전송률이 두 배로 증가하지만, 데이터 상태 간 진폭 변화가 작아져 SNR은 감소합니다. 따라서 PAM4 신호에는 더 높은 수준의 신호 무결성이 필요합니다.

전송선 성능 특성화

인쇄 회로 배선이든 케이블이든, 전송선 성능은 일반적으로 주파수 영역에서 산란 파라미터(S 파라미터)에 따라 특성이 결정됩니다. S 파라미터는 장치 내부의 특정 부품을 알지 못해도 입력과 출력에서 관찰되는 전기적 동작을 기반으로 장치의 특성을 설명합니다. 측정된 S 파라미터를 기반으로 하는 여러 성능 지수(FoM)가 케이블과 같은 2포트 장치를 설명하는 데 사용됩니다. 가장 많이 사용되는 FoM은 다음과 같습니다.

• 삽입 손실: 케이블의 입력에서 출력으로 전파되는 신호에 의해 발생하는 감쇠를 의미하며 데시벨(dB)로 표시됨(이상적인 전송선의 삽입 손실은 0dB임)
• 반사 손실: 출력에서 임피던스 불일치로 인해 발생하는 신호 반사에 의한 손실(dB)
• 누화: 인접 배선으로 인해 전송선에 결합되는 원치 않는 신호의 측정값(dB)

기타 관련 FoM으로는 전송선의 전파 지연과 시간 스큐가 있습니다. 전파 지연은 전송선을 통해 전파되는 신호의 시간 지연입니다. 시간 스큐는 둘 이상의 전송선에서 발생하는 신호 사이의 시간 차이입니다.

전송선 옵션

기존 PC 기판 설계 방식으로는 최신 데이터 통신 표준의 고주파, 다중 레인 구성에 대한 FoM 요구 사항을 비용 효율적으로 충족하는 데 어려움이 있습니다. 이러한 문제에 대응하여 Samtec Inc.에서는 손실이 적고 신호 무결성이 뛰어난 독점 Eye Speed 마이크로 동축 및 2축 케이블을 사용해 고속 케이블 조립품을 개발했습니다. 이 케이블은 다중 레인 케이블 조립품에 통합된 고유한 구조 덕분에 뛰어난 성능을 제공합니다(그림 2).

그림 2: 낮은 손실과 높은 신호 무결성이 특징인 Eye Speed 마이크로 동축(왼쪽) 케이블과 2축(오른쪽) 케이블의 상세 구조입니다. (이미지 출처: Samtec)

Eye Speed 동축 케이블은 중앙 연선 26AWG ~ 28AWG(미국 전선 규격) 컨덕터와 함께 제공됩니다. 이러한 동축 케이블 구조는 유연성이 높고 가벼우며 크기가 작은데, 이는 장거리 배선에서 특히 유용한 특징입니다.

유전체는 낮은 유전체 상수, 폼 에어, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(FEP)의 고체 압출로 형성됩니다. 폼으로 인해 공기 유입이 발생하여 신호 속도가 빨라집니다. 이 케이블 제품군은 향상된 신호 무결성을 위해 금속 서브, 테이프 또는 편복선 실드 옵션을 제공합니다.

Eye Speed 2축 케이블 구조에는 28AWG ~ 36AWG 은도금 구리 컨덕터가 사용됩니다. 전선이 클수록 삽입 손실이 적으며, 전선이 작을수록 유연성이 높아집니다. 유전체를 공동 압출하면 신호 무결성과 대역폭이 향상되어 28Gbps ~ 112Gbps 속도를 실현할 수 있습니다. 콤팩트하게 설계되어 신호 컨덕터가 서로 단단하게 결합되며, 간격이 좁아 케이블 조립품 내 피치가 줄어듭니다. 14GHz(56Gbps PAM4) 클록 데이터에 대한 0.25m Eye Speed 2축 케이블의 삽입 손실 범위는 전선 지름에 따라 -1dB ~ -2.2dB입니다. 2축 케이블의 컨덕터 간 시간 스큐는 미터당 3.5ps 미만입니다. 두 케이블 유형 모두 Samtec의 Flyover 기술을 지원합니다.

Flyover 기술이란?

Samtec의 Flyover 기술은 고대역 저손실의 Eye Speed 케이블 조립품을 사용하여 기판 실장 버스 구조를 대체하므로 손실이 크게 줄어듭니다(그림 3).

그림 3: Flyover 기술은 Eye Speed 케이블을 사용해 저손실 또는 초저손실 후면판 재료보다 손실을 크게 줄이고 14GHz 및 28GHz 클록 속도를 실현합니다. (이미지 출처: Samtec)

Flyover 기술은 더 작은 기판 레이어를 사용할 수 있으므로 기판 레이아웃을 간소화하여 28Gbps를 넘는 데이터 전송률을 실현합니다. 또한 더 경제적인 PC 기판 소재를 사용할 수 있습니다.

Samtec 케이블 조립품

다양한 Eye Speed 마이크로 동축 및 2축 케이블 조립품 옵션이 제공됩니다. 고밀도 어레이로 제공되며 일체형 접지판, 암수 동체 커넥터, 스트레인 완화 장치, 다양한 연결 및 래칭 옵션과 같은 기능을 제공합니다.

예를 들어 ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1은 16개의 신호 쌍이 있는 152.4mm(6인치) 길이의 슬림한 플러그 투 플러그 직접 연결 케이블 조립품이며 64Gbps PAM4 신호를 지원합니다(그림 4).

그림 4: ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1은 64Gbps PAM4 신호를 지원하는 16개의 차동 신호 쌍을 가진 직접 연결 케이블 조립품입니다. (이미지 출처: Samtec)

이 조립품은 0.635mm(0.025인치) 피치의 접점 32개로 나뉜 고밀도 2열 설계의 초저스큐 2축 케이블 16개로 구성됩니다. 접점은 최적의 신호 무결성을 위해 2축 컨덕터에 직접 납땜 처리되어 있습니다. 이 케이블은 34AWG 전선을 사용하는 100Ω 차동 형식이며 8쌍 및 24쌍 구성으로 제공됩니다. 작동 온도 범위는 -40°C ~ +125°C입니다.

ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B는 40접점 커넥터가 있는 20개의 단일 종단 50Ω 동축 케이블이 2열로 구성된 카드 에지-카드 에지 케이블 조립품입니다(그림 5). 케이블의 길이는 305mm(12인치)입니다.

그림 5: ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B 케이블 조립품은 34AWG 중심 컨덕터가 있는 단일 종단 동축 케이블을 사용합니다. 접점 간격은 0.80mm(0.0315인치) 피치입니다. (이미지 출처: Samtec)

동축 라인은 리본 케이블로 배열된 34AWG 중심 컨덕터를 사용합니다. 커넥터 피치는 0.80mm(0.0315인치)입니다. 이 케이블은 14Gbps 신호를 처리할 수 있는 등급입니다. 이 커넥터는 압착 래치 잠금 메커니즘을 사용하여 포지티브 결합을 보장합니다. 이 조립품은 선택적으로 다양한 래칭 메커니즘을 사용해 행당 10개 ~ 60개의 케이블로 구성할 수 있습니다. 모두 -25°C ~ +105°C 온도 범위에서 작동합니다.

HLCD-20-40-00-TR-TR-2 케이블 조립품은 길이 1.02m(40인치)의 50Ω 단일 종단 케이블 10개 2열을 사용합니다. 접점 피치가 0.5mm(0.0197인치)인 40개의 접점을 제공합니다(그림 6).

그림 6: HLCD-20-40.00-TR-TR-2 케이블 조립품은 자체 결합형 암수 동체 커넥터를 사용합니다. (이미지 출처: Samtec)

암수 동체 커넥터에는 같은 커넥터와 함께 결합할 수 있는 핀과 소켓이 있습니다. 이 커넥터는 양방향 데이터 쌍과 같이 접점 분극이 필요하지 않은 응용 분야에 사용됩니다.

HLCD-20-40.00-TR-TR-2는 각각 -25°C ~ +105°C 또는 -40°C ~ +125°C의 표준 또는 확장 작동 온도 범위 옵션을 선택할 수 있습니다.

HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B 케이블 조립품은 100Ω, 30AWG 2축 케이블 2열을 사용합니다. 이 케이블 조립품은 길이가 305mm(12인치)이고, 20개의 케이블이 있으며, 플러그-카드 에지 커넥터를 사용하고, 정격 속도는 14Gbps입니다(그림 7).

그림 7: HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B 조립품에는 100Ω 2축 케이블이 2열로 구성된 플러그-카드 에지 커넥터가 있습니다. (이미지 출처: Samtec)

이 제품군은 20, 40 또는 60 케이블 옵션과 다양한 표면 및 에지 실장 커넥터를 제공하며 커넥터 피치는 0.5mm(0.020인치)입니다.

결론

계속되는 데이터 전송률의 상승으로 인해 설계자는 신호 무결성 보장을 위한 혁신적인 방법을 모색합니다. 설계자는 Samtec과의 협력을 통해 기존의 다중 레인 PC 기판 신호 버스가 가진 제약을 해결하고, 최신 통신 응용 분야의 사양을 만족하거나 뛰어넘는 다양하고 유연하며 비용 효율적인 고성능의 케이블 조립품을 활용할 수 있습니다.