Cómo utilizar condensadores de acoplamiento AC en PCBs de alta velocidad

Las interfaces de alta velocidad como las líneas TX y RX para conectores SFP, carriles PCIe y el enrutamiento de la Interfaz Independiente de Medios (MII) utilizan capacitores de acoplamiento AC entre los componentes de emisión y recepción. Los capacitores de acoplamiento AC realizan una función simple: eliminan el sesgo de CC de una señal diferencial para que el voltaje diferencial percibido en el receptor esté dentro de un cierto rango. El receptor puede restaurar su propio desplazamiento de sesgo de CC en la señal diferencial recibida como parte de su circuito de terminación en chip o externo. Esto difiere del acoplamiento DC con resistencias emparejadas, donde cada lado del circuito necesita el sesgo de CC, pero no hay mecanismo en el chip receptor para establecer el sesgo internamente en el receptor.

El gran debate en torno a los capacitores de acoplamiento AC y cómo deben usarse en canales de alta velocidad se divide en dos áreas:

• ¿Dónde deben colocarse los capacitores? ¿Cerca del emisor, cerca del receptor, o no importa la colocación?
• ¿Se debe colocar un recorte de tierra debajo de los capacitores? ¿Debería esto atravesar todo el apilado y actuar como un área de exclusión de enrutamiento para todas las demás señales?

Voy a investigar estos puntos en este artículo. Mi posición es clara y está en línea con otros expertos en SI que han hablado sobre este asunto. Si la terminación en cada extremo del enlace está dentro del ancho de banda del canal, entonces la ubicación de los capacitores de acoplamiento AC no debería importar. Por supuesto, hay ligeras desviaciones en la calidad de la terminación en cada extremo del enlace, ya que la terminación nunca es perfectamente en la impedancia objetivo, por lo que puede haber ligeras desviaciones de este comportamiento en canales reales.

Selección de Capacitores de Acoplamiento AC

Los capacitores de acoplamiento AC, cuando se colocan en una línea de transmisión diferencial, parecen mucho a una discontinuidad de impedancia como función de la frecuencia. A frecuencias muy bajas, los capacitores de acoplamiento AC parecen presentar una impedancia muy grande, bloqueando así las porciones de baja frecuencia de una señal. A una frecuencia muy alta, los capacitores de acoplamiento AC parecen ser transparentes a la señal, por lo que la impedancia de entrada mirando a través del capacitor de acoplamiento AC parece ser la impedancia de la línea de transmisión. Sin contar con otros parásitos de los pads en el capacitor o el valor ESL del capacitor, esperaríamos que los capacitores de acoplamiento AC pasen la máxima señal a frecuencias muy altas.

Esto nos lleva a unas pocas pautas simples de selección y colocación de capacitores que son válidas en canales diferenciales acoplados AC:

• Coloque los capacitores de manera simétrica a lo largo del par diferencial y expanda las pistas hacia el paquete si es necesario.
• Seleccione un tamaño de paquete y huella que no exceda el ancho de las pistas en su par diferencial.
• Mantenga preferencia por tamaños de paquete más pequeños ya que estos tendrán un valor ESL más bajo.
• Los valores típicos de los capacitores son 10 nF o 100 nF.

A continuación, veamos las pautas de colocación y veamos si la orientación puede contextualizarse.

Ubicación de los Capacitores de Acoplamiento AC

Los factores mencionados anteriormente abordan la selección de capacitores de acoplamiento AC, pero no abordan la ubicación donde los capacitores deben ser colocados. La orientación sobre este punto también varía ampliamente según el fabricante de semiconductores, y la orientación de los expertos a menudo puede carecer de contexto. Para ver dónde deben colocarse estos capacitores, veamos datos de pruebas y datos de simulación que puedan respaldar una decisión de colocar estos componentes en el controlador, el receptor o en cualquier punto intermedio.

Datos de Prueba de Capacitores de Acoplamiento AC

Primero, veamos algunos datos de prueba que muestran diagramas de ojo en un canal diferencial que utiliza capacitores de acoplamiento AC tanto en el transmisor como en el receptor. Las imágenes a continuación muestran datos de prueba proporcionados por EverExceed; estos datos de prueba comparan las dos situaciones utilizando diagramas de ojo. En cada caso, se colocaron capacitores de acoplamiento AC a lo largo de una interconexión de 4.1 pulgadas, y los capacitores de acoplamiento AC se colocaron a 100 mil del transmisor o receptor respectivamente.

Los datos de prueba se pueden encontrar en EverExceed. NOTA: En mi opinión, este experimento es incompleto y no se deberían hacer afirmaciones generalizadas sobre la colocación de capacitores de acoplamiento AC.

En este diagrama de ojo, inicialmente parece que la ubicación ideal para colocar capacitores de acoplamiento AC está cerca del receptor. En el caso de la colocación de capacitores de acoplamiento AC del lado del receptor, parece haber cierta degradación de la tasa de flanco a lo largo del flanco ascendente de la señal entrante. Parece no haber cambio en el jitter o en el nivel general de ruido una vez que la señal se estabiliza.

Si bien no niego la precisión de las mediciones, es muy difícil concluir que solo la ubicación de los capacitores de acoplamiento AC produce la degradación de la tasa de flanco observada en el diagrama de ojo. Un experimento más exhaustivo habría variado más parámetros y examinado los diagramas de ojo en cada caso para eliminar otras posibles causas de las diferencias en estos diagramas:

• Variar el tamaño del ancho y el espaciado de la traza en comparación con el tamaño de la almohadilla de aterrizaje del capacitor.
• Variar otros factores en el diseño del par diferencial, como el espaciado entre trazas.

Hay dos otros factores que no se examinaron en este experimento particular, que son el uso de un recorte de tierra debajo del capacitor y si la terminación coincide con la impedancia objetivo dentro del ancho de banda requerido por el receptor (hasta la frecuencia de Nyquist). A veces se afirma que esto es necesario para los capacitores de acoplamiento AC con el fin de producir reflexión. Afortunadamente, esto se ha examinado en simulación, lo que mostramos en la siguiente sección.

Resultados de la Simulación de Simbeor

Los lectores pueden recordar a Yuriy Shlepnev de nuestros episodios de podcast, donde ha demostrado las capacidades del software de simulación de Symbior. Symbior es una herramienta excelente para simular la integridad de señales de alta velocidad, y algunos de sus modelos están integrados en el Administrador de Capas en Altium Designer.

Una de las notas de aplicación de Yuriy trata sobre el tema del uso de capacitores de acoplamiento AC en pares diferenciales. Varias situaciones fueron examinadas en su nota de aplicación:

• Uso de capacitores de gran tamaño versus capacitores de pequeño tamaño
• Examinar la pérdida de retorno hacia adelante y hacia atrás para determinar la reciprocidad
• Examinar el uso de un corte de tierra debajo de un capacitor

No los aburriré con los detalles de la simulación y en su lugar remitiré a los lectores a sus notas de aplicación; los enlaces se encuentran como citas en las imágenes mostradas a continuación.

Las grandes conclusiones del trabajo de Yuriy son las siguientes:

• La propagación hacia adelante y hacia atrás da espectros de pérdida de inserción idénticos; los capacitores de acoplamiento AC son recíprocos.
• Diferentes terminaciones en cada lado del capacitor de acoplamiento AC dan diferentes pérdidas de retorno, lo que significa que ahora la colocación sí importa porque la colocación determinará la impedancia de entrada en cada lado del capacitor.
• Los canales terminados de manera idéntica presentan las mismas pérdidas de retorno, lo que significa que la colocación no importa.
• Los capacitores de menor tamaño con pads más cercanos al ancho del trazo parecen dar menores reflexiones debido a una menor desadaptación de impedancia.

En cuanto al primer punto, los resultados de pérdida de inserción muestran curvas de pérdida de inserción idénticas en las direcciones hacia adelante y hacia atrás a lo largo de un capacitor acoplado. Los resultados también muestran un retardo de grupo idéntico, que es exactamente lo que uno esperaría para un canal recíproco.

Datos de parámetros-S confirmando la reciprocidad de los capacitores de acoplamiento AC con y sin recortes de tierra.Consulte estos resultados en una nota de aplicación de Simbeor.

Los importantes resultados de pérdida de retorno relacionados con el uso de un recorte de tierra y el tamaño del paquete/la geometría del pad SMD se muestran a continuación. Debería ser bastante claro que el uso de un recorte de tierra parece proporcionar una mejor coincidencia con la impedancia de entrada aguas abajo del capacitor, lo que se ilustra por la menor pérdida de retorno para el caso con el recorte de tierra versus sin el recorte de tierra.

Datos de parámetros-S comparando tamaños de capacitores 0402 y 0603 con y sin recortes de tierra.Consulte estos resultados en una nota de aplicación de Simbeor.

La recomendación sobre el recorte de tierra también es algo controvertida y algunos diseñadores de alta velocidad la han considerado innecesaria. Tiendo a confiar en los resultados de simulaciones que se prestan fácilmente a ser verificados en un experimento, aunque en este momento no estoy al tanto de datos experimentales que examinen específicamente el tema de tener un recorte de tierra. También esperaría que el recorte de tierra solo importe por encima de ciertas frecuencias, algo que se insinúa en los resultados de simulación anteriores.

Todo Se Trata de la Incompatibilidad de la Impedancia de Entrada

Un punto importante con respecto a la colocación del capacitor de acoplamiento de CA es que los capacitores no impactan la reciprocidad del canal. Los capacitores son elementos de circuito lineales pasivos, por lo que naturalmente esperaríamos reciprocidad para la propagación de señales a través de capacitores de acoplamiento de CA. La reciprocidad del canal nos da la siguiente relación en términos de parámetros-S:

Relación de parámetros-S para canales recíprocos

En otras palabras, la transmisión a través de un canal es la misma independientemente de la dirección. Esto significa que si colocamos un capacitor de acoplamiento, y cambiamos de lugar el emisor y el receptor, todos los parámetros-S serían idénticos siempre y cuando la impedancia de entrada en cada lado del capacitor estuviera emparejada dentro del requisito de ancho de banda del canal. Podemos ver esto a partir de algunos resultados de simulación de Yuriy Shlepnev en su nota de aplicación.

Basado en la simulación y nuestra propia intuición, la propagación hacia adelante y hacia atrás a través del capacitor será exactamente la misma. Por lo tanto, la colocación del capacitor y su geometría de montaje deberían ser los únicos factores que impacten en la propagación de la señal, ya que estos influirían en las reflexiones, y esto se vería en una simulación o medición de pérdida de retorno.

Si los capacitores deben colocarse cerca del receptor o cerca del transmisor depende de un factor simple: si los capacitores de acoplamiento de CA crean un desajuste de impedancia excesivo en el rango de alta frecuencia hasta el ancho de banda del canal. La colocación es apropiada cuando la impedancia de entrada mirando a través del capacitor hacia el conductor o receptor coincide con el valor de impedancia diferencial objetivo del canal. He ilustrado esto en el diagrama a continuación.

Hay una impedancia de entrada mirando a través de los capacitores de acoplamiento, que dependerá de las características del capacitor, la impedancia de entrada en el receptor y la distancia al receptor.

Creo que esto lleva a tres situaciones en particular donde la colocación del capacitor de acoplamiento de CA no importa en absoluto:

• Por debajo de aproximadamente 2-3 GHz, cualquier ubicación de colocación es apropiada.
• En un canal muy largo, donde la colocación no está demasiado cerca del conductor ni demasiado cerca del receptor, no debería importar dónde se coloquen los capacitores de acoplamiento.
• Cuando el canal está perfectamente adaptado en impedancia en ambos extremos dentro del ancho de banda del canal, cualquier colocación es adecuada independientemente de la longitud del canal. Los resultados de pérdida de inserción de Yuriy mencionados anteriormente y los resultados de pérdida de retorno vinculados aquí (diapositiva 26) confirman esto.
• Cuando la geometría de montaje de los capacitores no es significativamente diferente de la geometría de la traza, independientemente de la longitud y la ubicación de colocación.

Los puntos en esta lista son consistentes con los resultados de las investigaciones de Yuriy, que se realizaron en frecuencias que abarcan decenas de GHz.

Otras Recomendaciones Interesantes sobre la Colocación de Capacitores de Acoplamiento

El desafío con la orientación de colocación de los fabricantes de semiconductores es que nunca describen cuál es la terminación en cada extremo del enlace en algunos componentes. Pueden decirte una ubicación específica donde debería colocarse, pero no mucho más que eso.

A pesar de la orientación poco precisa, hay algunos ejemplos donde la orientación de colocación y la selección del paquete se hacen muy claras. Dos en particular valen la pena mencionar:

• Colocación de capacitores de acoplamiento AC en una tarjeta de expansión, como una tarjeta de borde PCIe, donde los capacitores se colocan en el extremo del dispositivo o en el extremo del conector. (Fuente: Intel)
• Colocación de capacitores de acoplamiento AC cerca de módulos enchufables en caliente, como transceptores de fibra con conectores SFP. (Fuente: Dr. Howard Johnson, SigCon)
• Según los resultados de simulación de HSPICE de Microchip, los parásitos del paquete SMD y las geometrías de las almohadillas de aterrizaje no afectan la integridad de la señal hasta unas pocas frecuencias de GHz (Fuente: Microchip)

Para aprender más sobre este tema con capacitores de acoplamiento AC, mira nuestro video en Altium Academy.

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