用于高速差分接口的交流耦合电容器

电器工程 串行 去耦电容 解耦
2022-01-13 19:50:00

你能解释一下为什么我应该在高速 (1...5 GHz) 差分串行接口(如用于千兆以太网 SFP 模块的 SerDes)上放置交流耦合电容器(通常约为 0.1uF)以及在何处放置?

根据我所读到的,盖子应尽可能靠近接收器引脚放置。欢迎任何合法的参考。

[CHIP1 RX+]--||-------------[CHIP2 TX+]
[CHIP1 RX-]--||-------------[CHIP2 TX-]
            0.1uF


[CHIP1 TX+]-------------||--[CHIP2 RX+]
[CHIP1 TX-]-------------||--[CHIP2 RX-]
                       0.1uF

先感谢您

更新:

得到了 IC 制造商的回复,它建议我将盖子放在更靠近发射器的地方。因此,实际位置似乎取决于特定 IC 的工作方式。不久前,另一家制造商提出了完全相反的建议。

4个回答

耦合电容通常放置在靠近发射源的位置。

与约翰逊博士一起,我们需要弄清楚距离。大多数 FR4 类型板上的信号传播速度约为 c/2。这相当于内部层每英寸大约 170 ps,外层更接近每英寸 160 ps。

使用以 2.5Gb/sec 运行的标准接口,单位间隔为 400ps,因此,我们距离发射机的距离应该远小于 200ps。如果此接口已在 IC 中实现,则您需要记住键合线是此距离的一部分。下面是对该问题的更深入的了解。

实际上,耦合设备放置在尽可能靠近发射器设备的位置。这个位置自然会因设备而异。

现在是电容器。这是具有这些速度的 RLC 设备,并且大多数设备在数千兆位应用中远高于自谐振。这意味着您很可能具有高于传输线的显着阻抗。

作为参考,一些器件尺寸的自感:0402 ~ 0.7nH 0603 ~ 0.9nH 0805 ~ 1.2nH

为了解决高阻抗设备问题(由于链路训练的性质,这是 PCI Express 中的一个主要问题),我们有时会使用所谓的反向几何设备,因为部件的自感明显较低。反向几何正是它所说的:0402 设备的触点 04 分开,而 0204 设备使用 02 作为触点之间的距离。0204 器件的典型自感值为 0.3nH,显着降低了器件的有效阻抗。

现在到那个不连续性:它会产生反射。反射越远,在信号跃迁时间的 1/2 距离范围内对源的影响(以及能量损失,见下文)就越大;除此之外几乎没有什么区别。

在距源 1/2 过渡时间或更远的距离处,可以使用反射系数方程 ([Zl - Zs]/[Zl + Zs]) 计算反射。如果反射产生得更近,使得有效反射低于此值,我们就有效地降低了反射系数并减少了能量损失。任何已知反射距离发射器的位置越近,它对系统的影响就越小。这就是高速接口的 BGA 器件下的分线孔尽可能靠近焊球的原因。这一切都是为了减少反射的影响。

例如,如果我将耦合电容器(用于 2.5Gb/sec 链路)放置在距离源 0.1 英寸处,则该距离等于 17ps 的时间。由于这些信号的转换时间通常限制在不超过 100 皮秒,因此反射系数为 17%。请注意,此转换时间相当于 5GHz 信号伪影。如果我们将设备放置得更远(超过转换时间 / 2 限制),并使用 0402 100nH 的典型值,我们有 Z(cap) = 22 ohms,Z(track) 大约 50 ohms,因此我们有反射系数约为 40%。由于设备焊盘,实际反射会更糟。

为什么要在高速信号中添加交流耦合电容器?它们增加了阻抗不连续性,只会损害信号完整性(?)。

在高速信号(USB3/PCIe/DisplayPort/...)中使用交流耦合的原因是,IC 制造商可以拥有更适合其架构的不同电源。

例如,HDMI 有 4 个差分对。每个信号以 50 欧姆至 5V 端接。如果您设计带有 HDMI 的 IC,那么您还必须有 5V 电源。这是一个严重的问题,增加了额外的成本和复杂性。

DisplayPort 在高速信号上使用交流耦合,因此每个 IC 制造商都可以使用最适合其需求的电源。

交流耦合有其自身的一系列挑战。除了交流耦合电容器增加的不连续性之外,通常还需要某种初始化/平衡(通常是一串 0 和 1),以确保在通信开始之前从线路中消除直流偏移。一旦通信开始,必须注意通过发送相同数量的 0 和 1 来保持线路平衡。(见 8b/10b 编码)

首先,为什么要使用交流耦合?约翰逊博士这里是您可能想要使用它们的三个常见原因:

  • 在互连具有不同开关阈值的逻辑系列时更改直流偏置电平。
  • 提供可在不损坏输出驱动器的情况下对地短路的可拆卸接口。
  • 当与差分信号和变压器耦合结合使用时,无需在两个产品机箱之间进行任何直流连接即可连接盒子。

例如,中间选项是我们使用可移动 pcie 卡执行此操作的主要原因之一。

现在放在哪里。您放置在信号线上的任何交流耦合电容器都将是一个较低的阻抗点,因此会导致负反射回源。这种反射是否会回来并干扰其他比特,取决于您的信号速度以及该反射点与发射器的距离。

再次从另一个Johnson 示例中,他建议为避免这种 ISI,您应该将上限放置在“远小于 1/2 波特间隔”内。以比特时间为 100 ps 的 10Gbps serdes 链接为例,他建议这将提供小于 100 密耳的距离。然后他进一步解释了如何降低电容的寄生电容及其低阻抗反射点。

将这一思路扩展到 1.5Gbps,667ps 的位时间大约是 4 或 5 英寸,而其中的十分之一可以得到大约半英寸。这对我来说似乎相当保守,但这可能就是重点。在实践中,我已经在连接器上放置了用于 pcie 的阻塞帽,但我再次将帽的反射点与连接器混为一谈。

您的问题确实与传输线理论以及反射如何工作有关。阅读此内容,如果您可以使用工具进行一些模拟,或者在不同位置使用电容进行简单的电路板实验,应该可以帮助您确定最适合您的应用程序的方法。

1)您应该首先使用公式计算电容器的总阻抗:

在此处输入图像描述

ESR 和 ESL 值由制造商提供(或仅使用数据表中的阻抗曲线来查找感兴趣频率处的阻抗)。一个好的低 ESL 陶瓷电容在 1 GHz 时可能有大约 0.5 欧姆。

2)如果该值远小于线路的特性阻抗,则将其放在线路上的位置无关紧要:发送器或接收器。

当在 RX 附近添加电容时,如果阻抗很小,它会与终端电阻串联(或在 RX 上的任何电阻),并且不会对信号完整性产生重大影响(50 Ohm + 0 Ohm = 50 Ohm)。

3) 电容的理想位置是在 TX,因为反射信号将“叠加”到传输信号中。而在 RX 定位的情况下,反射信号可能会叠加到下一个符号(取决于线路的时间延迟),从而创建 ISI。


因此,一般来说,位置要求(在 TX 或 RX)取决于感兴趣的频率和该频率下的总电容器阻抗。

在您的情况下,Z 不能Z0 小很多。对于 1 GHz,感抗可能仅为 6 Ohm 左右(假设 1 nH ESL,L*2*pi*f)。因此,对于如此高的频率(1 GHz 及以上),上限应理想地位于 TX 附近,而不是 RX 附近。

但是对于较低频率,当电容阻抗可以忽略时(相对于 Z0),电容可以放在 RX 侧(有时在实践中这样做),不会对信号完整性造成实质性损害。

更新
对于“小”Z的情况,从上面很清楚。

对于“大”Z 的情况,增强规则将是:
- 对于源端接,在接收器处放置一个耦合电容器。
- 对于负载终端,在发射器处放置一个耦合电容器。
- 对于负载源(双)终止,这无关紧要。

特别是对于源端接的情况,建议在发射器上放置一个去耦电容是错误的。Z 与 Z0 串联(添加到其中)。对反思有直接的负面影响。而如果 Z 在接收器处(假设靠近它),则没有负面影响(Z 被添加到一些大负载电阻,Z + 无穷大 = 无穷大)。