在硬件设计过程中,在很多高速串行信号中,都会使用到AC耦合电容,既然在设计高速串行电路时,任何一个小小的不同都会引起信号完整性问题,为什么要在串行链路中加入一个AC耦合电容呢?这个电容不仅会导致信号边沿变得缓慢,还有可能会引起阻抗不连续。如下:
而常见的低速信号如232和LPC等却没有AC耦合电容的加入,如下:
最开始要先明白AC耦合电容的作用。
1, source和sink端DC不同,所以隔直流;
2, 信号传输时可能会串扰进去直流分量,所以隔直流使信号眼图更好;
3, AC耦合电容还可以提供直流偏压和过流的保护。说到底:AC耦合电容的作用就是提供直流偏压,滤除信号的直流分量,使信号关于0轴对称。
4, 增加AC耦合电容肯定是使两级之间更好的通信,可以改善噪声容限。
那么怎么改善噪声容限?
我们有时候可能在选择电容时会选择小电容,觉得这样可能会将直流成分滤的更干净,但是这样会导致信号变形并且引起基线漂移。如果选择较大的电容,电容端的电压稳定的时间需要的比较长,原来一个小小的电容要求有这么多,那我们应该如何来选择这个电容呢?首先要看电容的频率、温度等特性并且选择低ESR/ESL的电容。对于电容值的选择是要通过计算来选的,如下所示:
一般来讲,我们用AC耦合电容来提供直流偏压,就是滤出信号的直流分量,使信号关于0轴对称。既然是这个作用,那么这颗电容是不是可以放在通道的任何位置呢?
这里拿一个常遇到典型的通路来分析。
图1:AC耦合电容典型通路
在低速电路设计中,这颗电容可以等效成理想电容。而在高频电路中,由于寄生电感的存在以及板材造成的阻抗不连续性,实际上这颗电容不能看作是理想电容。这里信号频率2.5G,通道长度4000mil,AC耦合电容的位置分别在距离发送端和接收端200mil的位置。我们看一下仿真出的眼图的变化。
显然,这颗AC耦合电容靠近接收端的时候信号的完整性要好于放在发送端。我的理解是这样的,非理想电容器阻抗不连续,信号经过通道衰减后反射的能量会小于直接反射的能量,所以绝大多数串行链路要求这颗AC耦合电容放在接收端。但也有例外,笔者之前做板对板连接时遇到过这个问题,查PCIE规范发现如果是两个板通常放置在发送端上,此时还利用到了AC耦合电容的另外一个作用——过压保护。比如说SATA,所以通常要求靠近连接器放置。
解决了放置的问题,另一个困扰大家的就是容值的选取了。这样说,我们的整个串行链路等效出的电阻R是固定的,那么AC耦合电容C的选取将会关系到时间常数(RC),RC越大,过的直流分量越大,直流压降越低。既然这样,AC耦合电容可以无限增大吗?显然是不行的。
同样的位置,与图3相比可以看出增大耦合电容后,眼高变低。原因是“高速”使电容变的不理想。感应电感会产生串联谐振,容值越大,谐振频率越低,AC耦合电容在低频情况下呈感性,因此高频分量衰减增大,眼高变小,上升沿变缓,相应的JITTER也会增大。通常建议AC耦合电容在0.01uf~0.2uf之间,项目中0.1uf比较常见。推荐使用0402的封装。
最后,解决了以上两个问题,再从PCB设计上分析一下这颗电容的优化设计。实际在项目中,与AC耦合电容的位置、容值大小这些可见因素相比,更加难以捉摸的是板材本身(包括焊盘的精度、铜箔的均匀度等)以及焊盘处的寄生电容对信号完整性的影响。我们知道,高频信号必须沿着有均匀特征阻抗的路径传播,如果遇到阻抗失配或者不连续的情况时,部分信号会被反射回发射端,造成信号的衰减,影响信号的完整性。项目中,这种情况通常会出现在焊盘或者是板载连接器处。笔者最初涉及的高速电路设计时,经常遇到这个问题。
解决这个问题要从两个方面入手。首先在板材的选取上,我们在应用中通常选用高性能的ROGERS板材,罗杰斯的板材在铜箔厚度的控制上非常精确,均匀的铜箔覆盖大大降低了阻抗的不连续性;然后在消除焊盘处的寄生电容上,业内常见的办法是在焊盘处做隔层处理(挖空位于焊盘正下方的参考平面区域,在内层创建铜填充),通过增大焊盘与其参考平面(或者是返回路径)之间的距离,减小电容的不连续性。在笔者的项目中多采用介质均匀、铜箔宽度控制精确的ROGERS板材也有效提高了焊盘的加工精度。
通过仿真对比一下ROGERS板材做精确隔层处理前后的信号完整性。
图6:做隔层处理后的TDR
图5图6对比,发现未处理之前阻抗的跳跃很明显,隔层处理后的阻抗改善很多,几乎没有任何阶跃与不连续。
图8:做隔层处理后的回波损耗
图7图8对比,在用ROGERS板材做隔层处理之后,相比未做隔层处理回波损耗下降到-30dB之内,大大降低了回波损耗,保证了信号传输的完整。
如果第一没有我们执行第二条。
如果是第三种情况,请执行第三条。
1,按照design guideline 要求放置
2,没有guideline,如果是IC 到IC,请靠近接收端放置
3,如果是IC 到连接器,请靠近连接器放置
4,尽可能选择小的封装尺寸,减小阻抗不连续
那AC耦合电容在PCB设计时需要注意什么?
万变不离基础原理。AC耦合电容一般是高速信号阻抗不连续的点,围绕这个问题解决即是它设计上的注意点。比如AC耦合电容优化,比如高速板材的选取等等。
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