Connectivity Solutions for Small-Size Devices

Abstract

The physical size of portable devices has been reducing whilst the functionality has been increasing. Because of technology convergency, a single portable device can now have functions, which are originated from devices of other product categories, such as digital cameras. To add functions to a small-size device requires that the size of the individual modules inside a product should also reduce. New features and added modules raise the requirements for data transfer capacity between modules. Therefore, the tightly spaced interconnections of the modules demand for new interconnection solutions, which offer error free, and fast data transfer.

This thesis concentrates on the interconnections of small-size devices and their modeling. A mobile phone is used as a reference for an interconnection analysis. A template diagram, that describes different interconnections of a device on a high level, is presented. The diagram is used in comparison between different devices and in characterization of its all interconnections. A general classification of interconnections is developed. It defines that interconnections can be divided into five distinct classes based on their electrical requirements and properties. In this work, basics of digital signaling and the simulation of fast digital interconnections are described. This knowledge is then used in a real simulation case. The thesis tells also, how to implement protection against electrostatic discharge in small-size devices and what is the protection's impact on the signal quality.

A fast differential digital signal bus is simulated with a method in which every part of the interconnection is modeled separately. The models of connectors and transmission paths are solved directly from physical geometry and material parameters by using electromagnetic field simulators that solve Maxwell's equations. The resulting models are then used in a circuit simulator in a transient analysis. Simulation results and the feasibility of the process are verified by impedance and oscilloscope measurements.

Kannettavien laitteiden fyysinen koko on jatkuvasti pienentynyt samalla kun niiden toimintojen määrä. on kasvanut. Konvergoitumisen seurauksena yksi laite voi sisältää usean erillisen laitteen toiminnot. Toimintojen lisääminen pienenevään tuotteeseen vaatii. että myös yksittäisten lohkojen koon tulee pienetä. Lisätyt toimintalohkot ja uudet ominaisuudet kasvattavat tiedonsiirtovaatimuksia. Lohkojen väliset tiheät liitännät edellyttävät uusia liitäntä ratkaisuja. jotka mahdollistavat virheettömän ja nopean tiedonsiirron.

Tässä diplomityössä keskitytään tulevaisuuden pienten laitteiden sähköisiin liitäntöihin ja niiden mallintamiseen. Laitteen liitäntöjä analysoidaan käyttämällä referenssinä erästä matkapuhelinta. Liitännöille esitetään yleinen kuvausmalli. jolla voidaan sekä karakterisoida että verrata eri laitteiden liitäntä ratkaisuja. Työssä kehitetään luokitus. jossa liitännät voidaan jakaa viiteen eri luokkaan sähköisten vaatimusten ja ominaisuuksien mukaan. Työssä käydään läpi digitaalisen signaloinnin perusteita ja kuinka nopeita digitaaliliitäntöjä mallinnetaan. Tätä käytetään hyväksi varsinaisessa simulaatio-osuudessa. Työssä selvitetään myös kuinka pienet laitteet voidaan suojata sähköstaattisia purkauksia vastaan, sekä miten suojaukset vaikuttavat signaalin eheyteen.

Diplomityössä tutkitaan nopean differentiaalisen digitaaliväylän simulointia menetelmällä jossa jokainen liitännän muodostava komponentti mallinnetaan erikseen. Liittimien ja siirtoteiden mallit ratkaistaan suoraan fyysisistä parametreista Maxwellin yhtälöiden kautta. Tuloksena syntyvia malleja käytetään lopulta piirisimulaattorissa. Simulointitulokset ja menetelmän soveltuvuus varmistetaan impedanssi-ja oskilloskooppimittauksilla.