AC-Koppelkondensatoren im PCIe-Routing

Koppelkondensatoren finden in analogen Anwendungen und bei Differentialprotokollen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten und fungieren im Wesentlichen als Hochpassfilter, die die auf einem Signal übertragene DC-Vorspannung entfernen. Beim PCIe-Routing werden Koppelkondensatoren für die gleiche Funktion (Entfernen des DC-Offsets), aber für andere Zwecke verwendet. Im Falle von PCIe gibt es neben der Tatsache, dass AC-Koppelkondensatoren in der Norm aufgeführt sind, weitere Gründe, AC-Koppelkondensatoren auf differentiellen Paaren zu platzieren. In diesem Artikel werden wir uns kurz ansehen, wo Koppelkondensatoren auf PCIe-Verbindungen platziert werden sollen, sowie die Gründe, warum diese auf PCIe-Verbindungen platziert werden.

Die Rolle von AC-Koppelkondensatoren beim PCIe-Routing

Alle PCIe-Lanes werden als differentielle Paare mit definiertem differentiellen Widerstand geführt, und die Tx-Seite einer Lane erfordert AC-Koppelkondensatoren. Gemäß der PCIe-Spezifikation gibt es drei Hauptgründe für die Platzierung von Koppelkondensatoren auf den Tx-Lines:

• DC-Isolierung: Auch wenn PCIe-Differentialpaare über einen durchgehenden Massebereich geführt werden, muss zwischen der Treiber- und der Empfängerseite einer Lane eine DC-Isolierung vorhanden sein. Da das Differenzialsignal durch Messen der Potentialdifferenz zwischen den Paaren wiederhergestellt wird, entfernen die AC-Kondensatoren jeglichen DC-Offset, der im Signal induziert wird, wenn ein Treiber und ein Empfänger mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden.
• Erkennung von Plug/Unplug-Ereignissen: Einige Add-In-Karten oder ‑Module sind Hot-Swap-fähig. Die Kondensatoren eines Tx-Paares ermöglichen dem Treiber die Verwendung einer RC-Zeit, um das Vorhandensein eines Empfängers am Ende einer Lane zu erkennen.
• Erkennung der Lane-Anzahl: Bei Komponenten mit mehreren PCIe-Lanes treten die Plug/Unplug-Ereignisse auf jeder Lane auf, und die Anzahl der ausgelösten Lanes kann vom PCIe-fähigen Gerät erkannt werden.
• Block-Masseverschiebung: Die logische Konsequenz aus dem ersten Punkt ist die Berücksichtigung der Masseverschiebung zwischen einem Motherboard und einer PCIe-Add-in-Karte. Der Kondensator eliminiert den Einfluss eines DC-Offsets zwischen den Massebereichen in der Hauptplatine und der Add-in-Karte oder dem Modul.

Die Kondensatoren müssen auch so viel Signal wie möglich bis zu hohen Frequenzen durchlassen, d. h. sie sollten eine ausreichend hohe Eigenresonanzfrequenz haben. Die ursprüngliche Spezifikation erfordert mindestens die dritte Oberschwingung über der Basis, die für neuere PCIe-Generationen in den GHz-Bereich gehen kann. Wenn ein Signal den Empfänger erreicht, ist die Chance auf eine erfolgreiche Wiederherstellung größer, wenn eine höhere Bandbreite zur Verfügung steht. Daher sollte der Durchlassbereich für diese Kondensatoren einen ausreichend hohen Grenzwert haben.

Platzierung der PCIe-Kupplungskondensatoren

Die PCIe-Basisspezifikation verlangt aus den oben genannten Gründen, dass jede Lane eines PCIe-Kanals zwischen Treiber und Empfänger wechselstromgekoppelt ist. Die tatsächliche Position der AC-Koppelkondensatoren kann sich entweder auf oder neben der Matrix/Komponente an jedem Ende der Verbindung befinden. Mit anderen Worten: Wenn Sie sich ein beliebiges Layout ansehen und keine AC-Koppelkondensatoren entlang der Verbindung sehen, sind sie möglicherweise in die E/As auf der Sendermatrix eingebettet. Stellen Sie sicher, dass Sie die Datenblätter für Ihre Komponenten überprüfen, um dies zu überprüfen.

In den meisten Fällen sind die AC-Koppelkondensatoren nicht in die Sendeseite der Schnittstelle integriert, sodass AC-Kondensatoren irgendwo entlang der Verbindung platziert werden müssen. Wo diese platziert werden, hängt vom jeweiligen System ab. Die möglichen Platzierungen werden in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Routing auf oberen oder unteren Platten?

Eine gute Strategie für die Arbeit mit PCIe-Interfaces besteht darin, Rx- und Tx-Lanes auf gegenüberliegenden Lagen der Leiterplatte zu routen. Viele Leiterplatten mit PCIe-Lanes haben vier Lagen. Zum Beispiel werden Computer-Motherboards und Add-in-Karten üblicherweise auf eine niedrige Lagenzahl optimiert, um die Kosten zu senken, was eine 4-lagige Leiterplatte (SIG + PWR/GND/GND/SIG + PWR Stackup) erfordert. Bei dieser Art von System ist das Routing über Vias ohne Stubs möglich, die die Kanalbandbreite einschränken könnten. Unabhängig davon, auf welcher Lage Sie verlegen, ist es am besten, Kondensatoren zu platzieren und auf der Oberflächenlage zu verlegen, damit die Via-Induktivität die Kanalbandbreite nicht einschränkt.

Vergessen Sie nicht, PCIe-Links zu begutachten!

Obwohl die Platzierung dieser Kondensatoren im PCI-SIG-Standard aufgeführt ist, ist es dennoch wichtig, das Link-Design in Ihrem System vollständig zu begutachten. Die Platzierung von PCIe-Kondensatoren ist nur ein Teil des PCIe-Routings. Bei der Arbeit mit hohen Geschwindigkeiten in neueren PCIe-Generationen ist es außerdem wichtig, die korrekte Funktion der Verbindung zu überprüfen. Dies erfordert mindestens Tests und Simulationen.

Simulationstools erleichtern die Bewertung eines PCIe-Kanals anhand einiger wichtiger Kennzahlen:

• Augendiagramm für jede Lane
• Impedanzsimulator zur Erkennung von Impedanzabweichungen entlang einer Lane
• S-Parameter-Simulatoren für jede Lane

Da es sich bei PCIe-Links um digitale Breitbandkanäle handelt, müssen das Signalverhalten direkt anhand eines Augendiagramms untersucht und die Bitfehlerrate bewertet werden, um die Konformität festzustellen. Wenn Sie von einer Erweiterungskarte auf eine System-Host-Platine über einen Durchsteckverbinder verlegen, müssen Sie auch Stubs entlang der Leitungen qualifizieren. Weitere Informationen finden Sie in diesem Artikel zur Identifizierung von Stub-Resonanzen in PCIe-Links.

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