Condensadores de acoplamiento de CA en enrutamiento de PCIe

Los condensadores de acoplamiento tienen muchos usos en aplicaciones analógicas y en protocolos diferenciales, actuando esencialmente como filtros de paso alto que eliminan el sesgo de corriente continua (CC) observado en una señal. En el enrutamiento de PCIe, los condensadores de acoplamiento se utilizan para la misma función (eliminar el desplazamiento de CC), pero para diferentes propósitos. En el caso de las PCIe, existen varias razones para colocar los condensadores de acoplamiento de CA en pares diferenciales, más allá del hecho de que los condensadores de acoplamiento de CA se enumeran en la norma. En este artículo, veremos brevemente dónde colocar los condensadores de acoplamiento en los enlaces de PCIe, así como las razones por las que se colocan en los enlaces de PCIe.

El papel de los condensadores de acoplamiento de CA en el enrutamiento de PCIe

Todos los carriles PCIe se enrutan como pares diferenciales con impedancia diferencial definida y el lado Tx de un carril requiere condensadores de acoplamiento de CA. De acuerdo con la especificación PCIe, existen tres razones principales para colocar los condensadores de acoplamiento en las líneas Tx:

• Aislamiento de CC: Aunque los pares diferenciales PCIe se enrutan sobre una región de tierra continua, es necesario que haya aislamiento de corriente alterna (CC) entre los lados del conductor y el receptor de un carril. Dado que la señal diferencial se recupera midiendo la diferencia de potencial entre los pares, los condensadores de CA eliminan cualquier compensación de CC inducida en la señal cuando un conductor y un receptor funcionan a diferentes voltajes.
• Detección de eventos de conexión/desconexión: Algunas tarjetas o módulos adicionales son intercambiables en caliente. Los condensadores de un par Tx permiten al conductor usar una constante de tiempo RC para detectar la presencia de un receptor al final de un carril.
• Detección del recuento de carriles: En los componentes que tienen varios carriles PCIe, los eventos de conexión y desconexión se producirán en cada carril y el dispositivo compatible con PCIe puede detectar el número de carriles activados.
• Desplazamiento (offset) de tierra del bloque: El razonamiento del primer punto anterior es que hay que tener en cuenta el cálculo de cualquier desplazamiento (offset) de tierra entre una placa base y una tarjeta complementaria PCIe. El condensador elimina la influencia de cualquier desplazamiento de CC entre las regiones de tierra en la placa principal y la tarjeta o módulo complementario.

Los condensadores también deben pasar la mayor cantidad de señal posible hasta las altas frecuencias, lo que significa que deben tener una frecuencia de autoresonancia lo suficientemente alta. La especificación original requiere al menos el tercer armónico por encima de la frecuencia fundamental, que puede alcanzar el régimen de los GHz para las nuevas generaciones de PCIe. Cuando una señal llega al receptor, sus posibilidades de recuperación exitosa serán mayores cuanto más ancho de banda esté disponible, por lo que la banda de paso para estos condensadores debería tener un punto de ruptura lo suficientemente alto.

Colocación de los condensadores de acoplamiento de PCIe

La especificación básica de PCIe requiere que cada carril de un canal PCIe se acople entre el conductor y el receptor por los motivos mencionados anteriormente. La ubicación real de los condensadores de acoplamiento de corriente alterna (CA) pueden estar dentro o fuera del cable/componente en cada extremo del enlace. En otras palabras, si miras un diseño al azar y no ves condensadores de acoplamiento de CA a lo largo del enlace, es posible que estén incrustados en las E/S de la pastilla del transmisor. Asegúrate de revisar las hojas de datos de tus componentes para verificar esto.

En la mayoría de los casos, los condensadores de acoplamiento de CA no están integrados en el lado de transmisión de la interfaz, por lo que los condensadores de CA deben colocarse en algún lugar a lo largo del enlace. El lugar donde se colocan depende del sistema que se está diseñando. Esto e resumen en la siguiente tabla:

¿Enrutamiento en capas superiores o inferiores?

Una buena estrategia para trabajar con interfaces PCIe es enrutar los carriles Rx y Tx en capas opuestas de la tarjeta. Muchas PCB que contienen carriles PCIe tendrán cuatro capas. Por ejemplo, las placas base de los equipos y las tarjetas adicionales se optimizan normalmente para una cantidad reducida de capas para reducir los costes, lo que exige una placa de cuatro capas (apilamiento SIG + PWR/GND/GND/SIG + PWR). En este tipo de sistema, el enrutamiento entre vías será posible sin stubs que podrían limitar el ancho de banda del canal. Sea cual sea la capa en la que decidas enrutar, es mejor colocar tapones y rutas en la capa de superficie para que la inductancia de la vía no limite el ancho de banda del canal.

¡No olvides evaluar los enlaces de PCIe!

Aunque la colocación de estos condensadores se indica en la norma PCI-SIG, sigue siendo importante evaluar completamente el diseño del enlace en tu sistema. La colocación de los condensadores PCIe es solo parte de la historia del enrutamiento de PCIe. Cuando se trabaja a altas velocidades en nuevas generaciones de PCIe, la evaluación también es importante para garantizar que el enlace funcione correctamente. Esto requiere, como mínimo, pruebas y simulaciones.

Las herramientas de simulación facilitan la evaluación de un canal PCIe analizando algunas métricas clave:

• Un diagrama de ojo para cada carril.
• Simulador de impedancia que puede detectar desviaciones de impedancia en un carril.
• Simuladores de parámetros S para cada carril.

Debido a que los enlaces PCIe son canales digitales de banda ancha, es necesario examinar el comportamiento de la señal directamente a partir de un diagrama de ojo y evaluar la tasa de error de bits para determinar el nivel de conformidad. Si se enruta una tarjeta de expansión a una placa base de sistema servidor a través de un conector de orificio pasante, también tendrás que calificar los stubs a lo largo de las rutas. Lee este artículo sobre cómo identificar resonancias de stubs en los enlaces de PCIe para obtener más información.

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