Wie man AC-Kopplungskondensatoren in Hochgeschwindigkeits-PCBs verwendet

Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie TX- und RX-Leitungen für SFP-Steckverbinder, PCIe-Lanes und das Routing der Media Independent Interface (MII) nutzen AC-Kopplungskondensatoren zwischen Sende- und Empfangskomponenten. AC-Kopplungskondensatoren erfüllen eine einfache Funktion: Sie entfernen die Gleichspannungsverzerrung von einem differentiellen Signal, sodass die am Empfänger wahrgenommene differentielle Spannung innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Der Empfänger kann seine eigene Gleichspannungsverzerrung auf dem empfangenen differentiellen Signal als Teil seiner On-Chip- oder externen Abschlussschaltung wiederherstellen. Dies unterscheidet sich von der DC-Kopplung mit abgeglichenen Widerständen, bei der jede Seite der Schaltung die Gleichspannungsverzerrung benötigt, es jedoch keinen Mechanismus auf dem empfangenen Chip gibt, um die Verzerrung intern am Empfänger einzustellen.

Die große Debatte um AC-Kopplungskondensatoren und wie sie in Hochgeschwindigkeitskanälen verwendet werden sollten, teilt sich in zwei Bereiche:

• Wo sollten die Kondensatoren platziert werden? Nah am Treiber, nah am Empfänger, oder spielt die Platzierung keine Rolle?
• Sollte ein Masseausschnitt unter den Kondensatoren platziert werden? Sollte dieser durch den gesamten Stackup gehen und als Routing-Keepout für alle anderen Signale dienen?

Ich werde diese Punkte in diesem Artikel untersuchen. Meine Position ist klar und steht im Einklang mit anderen SI-Experten, die sich zu diesem Thema geäußert haben. Wenn die Terminierung an jedem Ende der Verbindung innerhalb der Kanalbandbreite liegt, sollte die Position der AC-Kopplungskondensatoren keine Rolle spielen. Natürlich gibt es leichte Abweichungen in der Qualität der Terminierung an jedem Ende der Verbindung, da die Terminierung nie perfekt auf der Zielimpedanz liegt, daher kann es leichte Abweichungen von diesem Verhalten in realen Kanälen geben.

Auswahl von AC-Kopplungskondensatoren

AC-Kopplungskondensatoren, die auf einer differentiellen Übertragungsleitung platziert werden, erscheinen in Abhängigkeit von der Frequenz viel wie eine Impedanzdiskontinuität. Bei sehr niedrigen Frequenzen scheinen die AC-Kopplungskondensatoren eine sehr große Impedanz darzustellen, wodurch niederfrequente Anteile eines Signals blockiert werden. Bei sehr hoher Frequenz erscheinen die AC-Kopplungskondensatoren transparent für das Signal, sodass die Eingangsimpedanz, die durch den AC-Kopplungskondensator betrachtet wird, wie die Impedanz der Übertragungsleitung aussieht. Abgesehen von anderen Parasiten, die von den Pads am Kondensator oder dem ESL-Wert des Kondensators herrühren, würden wir erwarten, dass AC-Kopplungskondensatoren das Signal bei sehr hohen Frequenzen maximal durchlassen.

Dies führt uns zu einigen einfachen Richtlinien für die Auswahl und Platzierung von Kondensatoren, die in AC-gekoppelten differentiellen Kanälen gültig sind:

• Platzieren Sie die Kondensatoren symmetrisch entlang des differentiellen Paares und fächern Sie die Leiterbahnen in das Gehäuse auf, falls erforderlich.
• Wählen Sie eine Gehäusegröße und einen Footprint, der die Breite der Leiterbahnen in Ihrem differentiellen Paar nicht überschreitet.
• Bevorzugen Sie kleinere Gehäusegrößen, da diese einen niedrigeren ESL-Wert haben.
• Typische Kondensatorwerte sind 10 nF oder 100 nF.

Als Nächstes schauen wir uns die Platzierungsrichtlinien an und prüfen, ob die Anleitung kontextualisiert werden kann.

Positionierung von AC-Kopplungskondensatoren

Die oben aufgeführten Faktoren behandeln die Auswahl von AC-Kopplungskondensatoren, sprechen jedoch nicht den Ort an, an dem die Kondensatoren platziert werden sollten. Die Anleitung zu diesem Punkt variiert auch stark je nach Halbleiterhersteller, und die Ratschläge von Experten können oft kontextlos sein. Um zu sehen, wo diese Kondensatoren platziert werden sollten, schauen wir uns Testdaten und Simulationsdaten an, die eine Entscheidung unterstützen könnten, diese Komponenten beim Treiber, Empfänger oder irgendwo dazwischen zu platzieren.

Testdaten für AC-Kopplungskondensatoren

Zuerst werfen wir einen Blick auf einige Testdaten, die Augendiagramme auf einem differentiellen Kanal zeigen, der AC-Kopplungskondensatoren sowohl beim Treiber als auch beim Empfänger verwendet. Die untenstehenden Bilder zeigen Testdaten, die von EverExceed bereitgestellt wurden; diese Testdaten vergleichen die beiden Situationen unter Verwendung von Augendiagrammen. In jedem Fall wurden AC-Kopplungskondensatoren entlang einer 4,1 Zoll Verbindung platziert, und die AC-Kopplungskondensatoren wurden jeweils 100 mil vom Treiber oder Empfänger platziert.

Testdaten sind bei EverExceed zu finden. HINWEIS: Meiner Meinung nach ist dieses Experiment unvollständig und man sollte keine verallgemeinerten Aussagen über die Platzierung von AC-Kopplungskondensatoren machen.

In diesem Augendiagramm scheint es zunächst, dass der ideale Ort zur Platzierung von AC-Kopplungskondensatoren in der Nähe des Empfängers ist. Im Fall der Platzierung von AC-Kopplungskondensatoren auf der Empfängerseite scheint es zu einer gewissen Abflachung der Anstiegsflanke des eingehenden Signals zu kommen. Es scheint keine Veränderung im Jitter oder im allgemeinen Rauschniveau zu geben, sobald sich das Signal stabilisiert hat.

Während ich die Genauigkeit der Messungen nicht bestreite, ist es sehr schwierig zu folgern, dass ausschließlich die Position der AC-Kopplungskondensatoren die beobachtete Verschlechterung der Flankensteilheit im Augendiagramm verursacht. Ein gründlicheres Experiment hätte mehr Parameter variiert und die Augendiagramme in jedem Fall untersucht, um andere mögliche Ursachen für die Unterschiede in diesen Diagrammen auszuschließen:

• Die Größe der Leiterbahnbreite und des Abstands im Vergleich zur Größe des Landepads des Kondensators variieren.
• Andere Faktoren im Design des differentiellen Paares variieren, wie zum Beispiel den Abstand von Leiterbahn zu Leiterbahn.

Es gibt zwei weitere Faktoren, die in diesem speziellen Experiment nicht untersucht wurden, nämlich die Verwendung eines Masseausschnitts unter dem Kondensator und ob die Abschlussimpedanz innerhalb der erforderlichen Bandbreite des Empfängers (bis zur Nyquist-Frequenz) der Zielimpedanz entspricht. Es wird manchmal behauptet, dass dies für AC-Kopplungskondensatoren notwendig ist, um Reflexionen zu erzeugen. Glücklicherweise wurde dies in Simulationen untersucht, die wir im nächsten Abschnitt zeigen.

Simulationsergebnisse von Simbeor

Leser erinnern sich vielleicht an Yuriy Shlepnev aus unseren Podcast-Episoden, wo er die Fähigkeiten der Simulationssoftware von Symbior demonstriert hat. Symbior ist ein ausgezeichnetes Werkzeug zur Simulation von Signalintegrität bei hohen Geschwindigkeiten, und einige seiner Modelle sind in den Layer Stack Manager in Altium Designer integriert.

Eine der Anwendungshinweise von Yuriy behandelt das Thema der Verwendung von AC-Kopplungskondensatoren bei differentiellen Paaren. In seinem Anwendungshinweis wurden mehrere Situationen untersucht:

• Verwendung von großen Gehäusekondensatoren im Vergleich zu kleinen Gehäusekondensatoren
• Untersuchung von Vorwärts- und Rückwärts-Rückflussverlusten zur Bestimmung der Reziprozität
• Untersuchung der Verwendung eines Ground-Ausschnitts unter einem Kondensator

Ich werde Sie nicht mit den Simulationseinzelheiten langweilen und stattdessen die Leser auf seine Anwendungshinweise verweisen; Links finden sich als Zitate auf den unten gezeigten Bildern.

Die wichtigsten Erkenntnisse aus Yuriys Arbeit sind wie folgt:

• Vorwärts- und Rückwärtsausbreitung liefern identische Einfügungsverlustspektren; AC-Kopplungskondensatoren sind reziprok.
• Verschiedene Abschlüsse auf jeder Seite des AC-Kopplungskondensators ergeben unterschiedliche Rückflussverluste, was bedeutet, dass nun die Platzierung wichtig ist, weil die Platzierung die Eingangsimpedanz auf jeder Seite des Kondensators bestimmen wird.
• Identisch abgeschlossene Kanäle weisen dieselben Rückflussverluste auf, was bedeutet, dass die Platzierung keine Rolle spielt.
• Kleinere Kondensatoren mit Pads, die näher an der Leiterbahnbreite liegen, scheinen aufgrund der geringeren Impedanzfehlanpassung niedrigere Reflexionen zu verursachen.

Bezüglich des ersten Punktes zeigen die Ergebnisse zum Einfügungsverlust identische Einfügungsverlustkurven in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung entlang eines gekoppelten Kondensators. Die Ergebnisse zeigen auch identische Gruppenlaufzeiten, was genau das ist, was man von einem reziproken Kanal erwarten würde.

S-Parameter-Daten bestätigen die Reziprozität von AC-Kopplungskondensatoren mit und ohne Erdungsausschnitte.Diese Ergebnisse können in einer Simbeor-Anwendungshinweis eingesehen werden.

Die wichtigen Ergebnisse zu Rückflussverlusten, die sich auf die Verwendung eines Erdungsausschnitts und die Größe des Gehäuses/SMD-Pad-Geometrie beziehen, sind unten dargestellt. Es sollte ziemlich klar sein, dass die Verwendung eines Erdungsausschnitts eine bessere Anpassung an die Eingangsimpedanz stromabwärts vom Kondensator zu bieten scheint, was durch den niedrigeren Rückflussverlust für den Fall mit dem Erdungsausschnitt im Vergleich ohne den Erdungsausschnitt illustriert wird.

S-Parameter-Daten vergleichen 0402 und 0603 Kondensatorgrößen mit und ohne Erdungsausschnitte.Diese Ergebnisse können in einer Simbeor-Anwendungshinweis eingesehen werden.

Die Empfehlung zur Bodenaussparung ist ebenfalls etwas umstritten und wurde von einigen Hochgeschwindigkeitsdesignern als unnötig erachtet. Ich neige dazu, Simulationsergebnissen zu vertrauen, die sich leicht in einem Experiment überprüfen lassen, obwohl ich derzeit keine experimentellen Daten kenne, die sich speziell mit dem Problem einer Bodenaussparung befassen. Ich würde auch erwarten, dass die Bodenaussparung nur oberhalb bestimmter Frequenzen eine Rolle spielt, was in den oben genannten Simulationsergebnissen impliziert wird.

Es dreht sich alles um die Fehlanpassung der Eingangsimpedanz

Ein wichtiger Punkt bezüglich der Platzierung von AC-Kopplungskondensatoren ist, dass die Kondensatoren die Kanalreziprozität nicht beeinflussen. Kondensatoren sind passive lineare Schaltungselemente, daher würden wir natürlich Reziprozität für die Signalübertragung durch AC-Kopplungskondensatoren erwarten. Die Kanalreziprozität gibt uns die folgende Beziehung in Bezug auf S-Parameter:

S-Parameter-Beziehung für reziproke Kanäle

Mit anderen Worten, die Übertragung durch einen Kanal ist unabhängig von der Richtung gleich. Das bedeutet, dass wenn wir einen Kopplungskondensator platzierten und Treiber und Empfänger tauschten, alle S-Parameter identisch wären, solange die Eingangsimpedanz auf jeder Seite des Kondensators innerhalb der Bandbreitenanforderung des Kanals abgeglichen wurde. Dies können wir aus einigen von Yuriy Shlepnevs Simulationsergebnissen in seinem Anwendungshinweis sehen.

Basierend auf Simulationen und unserer eigenen Intuition wird die Vorwärts- und Rückwärtsausbreitung durch den Kondensator genau gleich sein. Daher sollten die Platzierung des Kondensators und seine Montagegeometrie die einzigen Faktoren sein, die die Signalübertragung beeinflussen, da diese Reflexionen beeinflussen würden, und dies würde in einer Simulation oder Messung des Rückflussverlustes gesehen werden.

Ob Kondensatoren in der Nähe des Empfängers oder in der Nähe des Senders platziert werden sollten, hängt von einem einfachen Faktor ab: ob die AC-Kopplungskondensatoren eine übermäßige Impedanzanpassung im Hochfrequenzbereich bis zur Kanalbandbreite erzeugen. Die Platzierung ist angemessen, wenn die Eingangsimpedanz, die durch den Kondensator hindurch zum Treiber oder Empfänger betrachtet wird, mit dem Zielwert der differentiellen Impedanz des Kanals übereinstimmt. Dies habe ich im Diagramm unten illustriert.

Es gibt eine Eingangsimpedanz, die durch die Kopplungskondensatoren betrachtet wird, die von den Eigenschaften des Kondensators, der Eingangsimpedanz am Empfänger und der Entfernung zum Empfänger abhängig sein wird.

Ich denke, dies führt zu drei speziellen Situationen, in denen die Platzierung des AC-Kopplungskondensators überhaupt keine Rolle spielt:

• Unterhalb von etwa 2-3 GHz ist jede Platzierungsposition angemessen.
• In einem sehr langen Kanal, wo die Platzierung nicht zu nah am Treiber oder zu nah am Empfänger ist, sollte es keine Rolle spielen, wo die Kopplungskondensatoren platziert sind.
• Wenn der Kanal perfekt impedanzabgestimmt ist an beiden Enden innerhalb der Kanalbandbreite, ist jede Platzierung in Ordnung, unabhängig von der Kanallänge. Die Einfügungsdämpfungsergebnisse von Yuriy oben und die Rückflussdämpfungsergebnisse, die hier verlinkt sind (Folie 26), bestätigen dies.
• Wenn die Montagegeometrie für die Kondensatoren nicht signifikant von der Leiterbahngeometrie abweicht, unabhängig von Länge und Platzierungsposition.

Die Punkte in dieser Liste stimmen mit den Ergebnissen von Yuriys Untersuchungen überein, die bei Frequenzen im Bereich von 10ern GHz durchgeführt wurden.

Andere interessante Empfehlungen zur Platzierung von Kopplungskondensatoren

Die Herausforderung bei Platzierungsempfehlungen von Halbleiterherstellern besteht darin, dass sie nie beschreiben, was die Terminierung an jedem Ende der Verbindung in einigen Komponenten ist. Sie könnten Ihnen einen spezifischen Ort nennen, wo es platziert werden sollte, aber nicht viel mehr als das.

Trotz der lockeren Richtlinien gibt es einige Beispiele, bei denen die Platzierungsempfehlungen und die Paketauswahl sehr klar gemacht werden. Zwei davon sind besonders erwähnenswert:

• Platzierung von AC-Kopplungskondensatoren auf einer Erweiterungskarte, wie einer PCIe-Steckkarte, bei der die Kondensatoren am Geräteende oder am Steckerende platziert werden. (Quelle: Intel)
• Platzierung von AC-Kopplungskondensatoren in der Nähe von hot-pluggable Modulen, wie Glasfaser-Transceivern mit SFP-Steckverbindern. (Quelle: Dr. Howard Johnson, SigCon)
• Laut HSPICE-Simulationsergebnissen von Microchip beeinflussen SMD-Package-Parasiten und Landepad-Geometrien die Signalintegrität bis zu einigen GHz-Frequenzen nicht (Quelle: Microchip)

Um mehr über dieses Problem mit AC-Kopplungskondensatoren zu erfahren, schauen Sie sich unser Video auf Altium Academy an.

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