Condensateur de couplage AC dans le routage des PCIe

Les condensateurs de couplage sont généralement utilisés dans les applications analogiques et dans les protocoles différentiels. Ils agissent essentiellement comme des filtres passe-haut qui éliminent la polarisation CC véhiculée sur un signal.

Dans le cadre du routage des PCIe, ils remplissent la même fonction (supprimer la polarisation CC), mais à des fins différentes. Dans ce contexte, placer des condensateurs de couplage AC sur des paires différentielles est parfaitement justifié, au-delà du fait qu'ils font partie de la norme.

Dans cet article, nous allons vous expliquer où placer les condensateurs de couplage AC sur les liaisons PCIe, ainsi que les raisons pour lesquelles ils sont placés sur ces liaisons.

Rôle des condensateurs de couplage AC dans le routage des PCIe

Toutes les voies PCIe sont routées sous forme de paires différentielles et sont dotées d'une impédance différentielle définie. De plus, le côté Tx d'une voie nécessite des condensateurs de couplage AC.

D'après la spécification des PCIe, il y a trois raisons principales de placer des condensateurs de couplage sur les voies Tx :

• L'isolation CC : même si les paires différentielles PCIe sont routées sur une zone de masse continue, il doit y avoir une isolation CC entre les côtés driver et récepteur d'une voie. Étant donné que le signal différentiel est récupéré en mesurant la potentielle différence entre les paires, les condensateurs AC suppriment tout décalage CC induit sur le signal lorsqu'un driver et un récepteur fonctionnent avec des tensions différentes
• La détection des événements de branchement/débranchement : certains modules ou cartes d'extension peuvent être remplacés à chaud. Les condensateurs sur une paire Tx permettent au driver d'utiliser une constante de temps RC pour détecter la présence d'un récepteur à l'extrémité d'une voie
• La détection du nombre de voies : dans les composants qui disposent de plusieurs voies PCIe, les événements de branchement/débranchement se produisent sur chaque voie et le nombre de voies déclenchées peut être détecté par le périphérique compatible avec le PCIe
• Le décalage de la masse du bloc : le corollaire du premier point ci-dessus prend en compte tout décalage de masse entre une carte mère et une carte d'extension PCIe. Le condensateur élimine l'impact de tout décalage CC entre les zones de masse de la carte mère et la carte ou le module d'extension.

Les condensateurs doivent également transmettre le plus de signaux possible vers les hautes fréquences, ce qui signifie qu'ils doivent avoir une fréquence d'auto-résonance suffisamment élevée. La spécification originale exige au moins la troisième harmonique au-dessus de la fondamentale, ce qui peut atteindre le régime des GHz pour les nouvelles générations de PCIe.

Lorsqu'un signal atteint le récepteur, ses chances de récupération seront plus élevées si une bande passante plus large est disponible. Par conséquent, la bande passante de ces condensateurs doit avoir un seuil limite suffisamment élevé.

Placement des condensateurs de couplage dans les PCIe

La spécification de base des PCIe exige que chaque voie d'un canal PCIe soit couplée par des condensateurs AC entre le driver et le récepteur pour les raisons évoquées ci-dessus.

Les condensateurs de couplage AC peuvent en réalité être situés sur ou en-dehors de la puce ou du composant, à chaque extrémité de la liaison.

En d'autres termes, si vous examinez une disposition aléatoire et que vous ne voyez pas les condensateurs de couplage AC le long de la liaison, cela signifie qu'ils peuvent être intégrés dans les E/S sur la puce de l'émetteur. Vérifiez les fiches techniques de vos composants pour vous en assurer.

Dans la plupart des cas, les condensateurs de couplage AC ne sont pas intégrés dans l'interface de transmission, ils doivent donc être placés le long de la liaison. L'endroit où ils sont placés dépend du système conçu.

Toutes ces informations sont résumées dans le tableau ci-dessous :

Faut-il router les couches supérieures ou inférieures ?

Pour travailler avec les interfaces PCIe, nous vous recommandons de router les voies Rx et Tx sur les couches opposées de la carte.

La plupart des PCB qui contiendront des voies PCIe ont quatre couches. Par exemple, les cartes mères d'ordinateurs et les cartes d'extension sont généralement optimisées pour un faible nombre de couches, afin de réduire les coûts, ce qui impose une carte à 4 couches (empilement SIG + PWR/GND/GND/SIG + PWR).

Dans ce type de système, le routage à travers les vias sera possible sans les stubs qui pourraient limiter la bande passante du canal.

Quelle que soit la couche sur laquelle vous décidez de router, il est préférable de placer les condensateurs de couplage et de router sur la couche de surface afin que l'inductance du via ne limite pas la bande passante du canal.

N'oubliez pas d'évaluer les liaisons PCIe !

Bien que l'emplacement de ces condensateurs soit indiqué dans la norme PCI-SIG, vous devez impérativement évaluer l'intégralité de la conception des liaisons dans votre système. Le placement des condensateurs de couplage n'est qu'une partie du routage des PCIe.

Lorsque vous travaillez à des vitesses élevées dans les nouvelles générations de PCIe, il est également primordial de réaliser cette opération afin de s'assurer que la liaison fonctionne correctement. Pour ce faire, vous devez a minima réaliser des tests et des simulations.

Les outils de simulation facilitent l'évaluation des canaux PCIe, à l'aide de plusieurs indicateurs clés :

• Un diagramme de l'œil pour chaque voie
• Un simulateur d'impédance capable de repérer les écarts d'impédance le long d'une voie
• Des simulateurs de paramètres S pour chaque voie.

Dans la mesure où les liaisons PCIe sont des canaux numériques à large bande, il est nécessaire d'examiner le comportement du signal directement à partir du diagramme de l'œil et d'évaluer le taux d'erreur binaire pour déterminer la conformité.

Si vous effectuez le routage d'une carte d'extension vers une carte hôte du système via un connecteur traversant, vous aurez également besoin des stubs le long des routages. Pour en savoir plus, lisez cet article (en anglais) sur l'identification des résonances de stub dans les liaisons PCIe.

Lorsque vous devez évaluer votre conception dans le cadre d'un processus complet axé sur la simulation, exploitez l'ensemble des fonctionnalités de conception, de layout et de simulation de circuits imprimés dans Altium Designer®.

En outre, lorsque vous devez examiner les problèmes d'intégrité du signal et extraire les paramètres S de vos systèmes, vous pouvez utiliser l'extension EDB Exporter pour importer une conception dans les solveurs de champs Ansys et effectuer une série de simulations sur l'intégrité du signal et de l'alimentation.

Les options d'exportation d'Altium Designer prennent également en charge d'autres solveurs de champs, tels que le solveur spécialisé Simbeor, destiné à évaluer les interconnexions.

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