Comment utiliser des condensateurs de couplage AC dans les PCB à haute vitesse

Les interfaces à haute vitesse telles que les lignes TX et RX pour les connecteurs SFP, les voies PCIe et le routage de l'interface indépendante des médias (MII) utilisent des condensateurs de couplage AC entre les composants d'émission et de réception. Les condensateurs de couplage AC remplissent une fonction simple : ils éliminent le biais DC d'un signal différentiel de sorte que la tension différentielle perçue au niveau du récepteur se situe dans une certaine plage. Le récepteur peut restaurer son propre décalage de biais DC sur le signal différentiel reçu dans le cadre de son circuit de terminaison intégré ou externe. Cela diffère du couplage DC avec des résistances appariées, où chaque côté du circuit a besoin du biais DC, mais il n'y a aucun mécanisme sur la puce reçue pour régler le biais à l'intérieur au niveau du récepteur.

Le grand débat autour des condensateurs de couplage AC et de leur utilisation dans les canaux à haute vitesse se divise en deux domaines :

• Où les condensateurs doivent-ils être placés ? Doit-on les placer près du pilote, près du récepteur, ou l'emplacement n'a-t-il pas d'importance ?
• Faut-il placer une découpe de masse sous les condensateurs ? Cette découpe doit-elle traverser tout le stackup et agir comme une zone d'exclusion de routage pour tous les autres signaux ?

Je vais examiner ces points dans cet article. Ma position est claire et est en accord avec d'autres experts en intégrité du signal qui ont discuté de cette question. Si la terminaison à chaque extrémité du lien est dans la bande passante du canal, alors l'emplacement des condensateurs de couplage AC ne devrait pas importer. Bien sûr, il y a de légères déviations dans la qualité de la terminaison à chaque extrémité du lien, car la terminaison n'est jamais parfaitement à l'impédance cible, donc il peut y avoir de légères déviations de ce comportement dans les canaux réels.

Sélection des condensateurs de couplage AC

Les condensateurs de couplage AC, lorsqu'ils sont placés sur une ligne de transmission différentielle, ressemblent beaucoup à une discontinuité d'impédance en fonction de la fréquence. À très basses fréquences, les condensateurs de couplage AC semblent présenter une très grande impédance, bloquant ainsi les parties de basse fréquence d'un signal. À très haute fréquence, les condensateurs de couplage AC semblent être transparents au signal, donc l'impédance d'entrée en regardant à travers le condensateur de couplage AC ressemble à l'impédance de la ligne de transmission. En l'absence d'autres parasitiques provenant des pastilles sur le condensateur ou de la valeur ESL du condensateur, nous nous attendrions à ce que les condensateurs de couplage AC transmettent le signal maximum à très hautes fréquences.

Cela nous amène à quelques lignes directrices simples pour la sélection et le placement des condensateurs qui sont valables dans les canaux différentiels couplés AC:

• Placez les condensateurs de manière symétrique le long de la paire différentielle et écartez les pistes vers le boîtier si nécessaire.
• Sélectionnez une taille de boîtier et une empreinte qui ne dépassent pas la largeur des pistes de votre paire différentielle.
• Privilégiez les tailles de boîtiers plus petites car elles auront une valeur d'ESL plus faible.
• Les valeurs typiques de condensateurs sont de 10 nF ou 100 nF.

Ensuite, examinons les directives de placement et voyons si les conseils peuvent être contextualisés.

Emplacement des condensateurs de couplage AC

Les facteurs énumérés ci-dessus abordent la sélection des condensateurs de couplage AC, mais ils ne traitent pas de l'endroit où les condensateurs devraient être placés. Les conseils sur ce point varient également largement selon le fabricant de semi-conducteurs, et les conseils des experts peuvent souvent manquer de contexte. Pour voir où ces condensateurs devraient être placés, examinons les données de test et les données de simulation qui peuvent soutenir une décision de placer ces composants au niveau du driver, du récepteur, ou n'importe où entre les deux.

Données de test des condensateurs de couplage AC

Tout d'abord, examinons quelques données de test montrant des diagrammes de l'œil sur un canal différentiel qui utilise des condensateurs de couplage AC au niveau du pilote et du récepteur. Les images ci-dessous montrent des données de test fournies par EverExceed ; ces données de test comparent les deux situations en utilisant des diagrammes de l'œil. Dans chaque cas, des condensateurs de couplage AC ont été placés le long d'une interconnexion de 4,1 pouces, et les condensateurs de couplage AC ont été placés à 100 mil du pilote ou du récepteur respectivement.

Les données de test peuvent être trouvées sur EverExceed. NOTE : À mon avis, cette expérience est incomplète et on ne devrait pas faire de déclarations généralisées sur le placement des condensateurs de couplage AC.

Dans ce diagramme de l'œil, il semble initialement que l'emplacement idéal pour placer les condensateurs de couplage AC est près du récepteur. Dans le cas du placement des condensateurs de couplage AC du côté récepteur, il semble y avoir une certaine dégradation du taux de montée le long du bord montant du signal entrant. Il semble n'y avoir aucun changement dans le jitter ou le niveau de bruit global une fois que le signal se stabilise.

Bien que je ne nie pas la précision des mesures, il est très difficile de conclure que seul l'emplacement des condensateurs de couplage AC produit la dégradation du taux de montée observée dans le diagramme de l'œil. Une expérience plus approfondie aurait varié davantage de paramètres et examiné les diagrammes de l'œil dans chaque cas afin d'éliminer d'autres causes possibles des différences dans ces diagrammes :

• Varier la taille de la largeur et de l'espacement des pistes par rapport à la taille du pad de connexion du condensateur.
• Varier d'autres facteurs dans la conception de la paire différentielle, tels que l'espacement entre les pistes.

Il y a deux autres facteurs qui n'ont pas été examinés dans cette expérience particulière, qui sont l'utilisation d'une découpe de masse sous le condensateur et si la terminaison correspond à l'impédance cible dans la bande passante requise du récepteur (jusqu'à la fréquence de Nyquist). Il est parfois dit que cela est nécessaire pour les condensateurs de couplage AC afin de produire une réflexion. Heureusement, cela a été examiné en simulation, ce que nous montrons dans la section suivante.

Résultats de simulation de Simbeor

Les lecteurs se souviendront peut-être de Yuriy Shlepnev de nos épisodes de podcast, où il a démontré les capacités du logiciel de simulation de Symbior. Symbior est un excellent outil pour simuler l'intégrité des signaux à haute vitesse, et certains de ses modèles sont intégrés dans le Gestionnaire de pile de couches dans Altium Designer.

L'une des notes d'application de Yuriy traite du sujet de l'utilisation de condensateurs de couplage AC sur des paires différentielles. Plusieurs situations ont été examinées dans sa note d'application :

• L'utilisation de condensateurs de grande taille par rapport à des condensateurs de petite taille
• Examiner la perte de retour en avant et en arrière pour déterminer la réciprocité
• Examiner l'utilisation d'une découpe de masse sous un condensateur

Je ne vous ennuierai pas avec les détails de la simulation et je préfère renvoyer les lecteurs à ses notes d'application ; les liens se trouvent comme citations sur les images ci-dessous.

Les grandes conclusions des travaux de Yuriy sont les suivantes :

• La propagation en avant et en arrière donne des spectres de perte d'insertion identiques ; les condensateurs de couplage AC sont réciproques.
• Des terminaisons différentes de chaque côté du condensateur de couplage AC donnent des pertes de retour différentes, ce qui signifie maintenant que le placement est important car le placement déterminera l'impédance d'entrée de chaque côté du condensateur.
• Des canaux terminés de manière identique donnent les mêmes pertes de retour, ce qui signifie que le placement n'a pas d'importance.
• Les condensateurs de plus petit boîtier avec des pads plus proches de la largeur de la trace semblent donner de plus faibles réflexions en raison d'un désaccord d'impédance plus petit.

Concernant le premier point, les résultats de perte d'insertion montrent des courbes de perte d'insertion identiques dans les directions avant et arrière le long d'un condensateur couplé. Les résultats montrent également un retard de groupe identique, ce qui est exactement ce à quoi on s'attendrait pour un canal réciproque.

Données des paramètres S confirmant la réciprocité des condensateurs de couplage AC avec et sans découpes de masse. Consultez ces résultats dans une note d'application Simbeor.

Les résultats importants de perte de retour liés à l'utilisation d'une découpe de masse et à la taille du boîtier/la géométrie des pads SMD sont présentés ci-dessous. Il devrait être assez clair que l'utilisation d'une découpe de masse semble fournir une meilleure correspondance à l'impédance d'entrée en aval du condensateur, ce qui est illustré par la perte de retour inférieure pour le cas avec la découpe de masse par rapport au cas sans la découpe de masse.

Données des paramètres S comparant les tailles de condensateurs 0402 et 0603 avec et sans découpes de masse. Consultez ces résultats dans une note d'application Simbeor.

La recommandation concernant la découpe de masse est également quelque peu controversée et a été jugée par certains concepteurs de haute vitesse comme étant inutile. Je tends à faire confiance aux résultats de simulation qui se prêtent facilement à une vérification expérimentale, bien qu'à l'instant, je ne connaisse pas de données expérimentales qui examinent spécifiquement la question de la présence d'une découpe de masse. Je m'attendrais également à ce que la découpe de masse n'ait d'importance qu'au-dessus de certaines fréquences, ce qui est implicite dans les résultats de simulation ci-dessus.

Il s'agit avant tout d'un problème de désadaptation de l'impédance d'entrée

Un point important concernant le placement des condensateurs de couplage AC est que les condensateurs n'impactent pas la réciprocité du canal. Les condensateurs sont des éléments de circuit linéaires passifs, donc nous nous attendrions naturellement à une réciprocité pour la propagation du signal à travers les condensateurs de couplage AC. La réciprocité du canal nous donne la relation suivante en termes de paramètres S :

Relation des paramètres S pour les canaux réciproques

En d'autres termes, la transmission à travers un canal est la même quel que soit le sens. Cela signifie que si nous placions un condensateur de couplage, et que nous échangions l'émetteur et le récepteur, tous les paramètres S seraient identiques tant que l'impédance d'entrée de chaque côté du condensateur était adaptée dans la bande passante requise du canal. Nous pouvons voir cela à partir de certains résultats de simulation de Yuriy Shlepnev dans sa note d'application.

Basé sur la simulation et notre propre intuition, la propagation vers l'avant et vers l'arrière à travers le condensateur sera exactement la même. Par conséquent, le placement du condensateur et sa géométrie de montage devraient être les seuls facteurs ayant un impact sur la propagation du signal, car ceux-ci influenceraient les réflexions, et cela serait visible dans une simulation ou mesure de perte de retour.

Que les condensateurs doivent être placés près du récepteur ou près de l'émetteur dépend d'un facteur simple : si les condensateurs de couplage AC créent une inadéquation d'impédance excessive dans la gamme de haute fréquence jusqu'à la bande passante du canal. Le placement est approprié lorsque l'impédance d'entrée en regardant à travers le condensateur vers le pilote ou le récepteur correspond à la valeur d'impédance différentielle cible du canal. J'ai illustré cela dans le diagramme ci-dessous.

Il y a une impédance d'entrée en regardant à travers les condensateurs de couplage, qui dépendra des caractéristiques du condensateur, de l'impédance d'entrée au niveau du récepteur, et de la distance jusqu'au récepteur.

Je pense que cela conduit à trois situations en particulier où le placement du condensateur de couplage AC n'a pas d'importance du tout :

• En dessous d'environ 2-3 GHz, n'importe quel emplacement de placement est approprié.
• Dans un canal très long, où le placement n'est pas trop proche du pilote ni trop proche du récepteur, l'endroit où les condensateurs de couplage sont placés ne devrait pas avoir d'importance.
• Lorsque le canal est parfaitement adapté en impédance aux deux extrémités dans la bande passante du canal, n'importe quel emplacement convient, indépendamment de la longueur du canal. Les résultats de perte d'insertion de Yuriy mentionnés ci-dessus et les résultats de perte de retour liés ici (diapositive 26) confirment cela.
• Lorsque la géométrie de montage pour les condensateurs n'est pas significativement différente de la géométrie de la trace, indépendamment de la longueur et de l'emplacement.

Les points de cette liste sont cohérents avec les résultats des investigations de Yuriy, qui ont été réalisées à des fréquences s'étendant sur des dizaines de GHz.

Autres recommandations intéressantes pour le placement des condensateurs de couplage

Le défi avec les conseils de placement de la part des fabricants de semi-conducteurs est qu'ils ne décrivent jamais quelle est la terminaison à chaque extrémité du lien dans certains composants. Ils pourraient vous indiquer un emplacement spécifique où il devrait être placé, mais pas beaucoup plus que cela.

Malgré les conseils peu précis, il y a quelques exemples où les conseils de placement et la sélection du package sont très clairs. Deux en particulier méritent d'être mentionnés :

• Placement des condensateurs de couplage AC sur une carte d'extension, telle qu'une carte à bord PCIe, où les condensateurs sont placés à l'extrémité du dispositif ou à l'extrémité du connecteur. (Source : Intel)
• Placement des condensateurs de couplage AC près des modules pouvant être branchés à chaud, tels que les transceivers à fibre avec connecteurs SFP. (Source : Dr. Howard Johnson, SigCon)
• Selon les résultats de simulation HSPICE de Microchip, les parasitiques des boîtiers SMD et les géométries des pads de connexion n'affectent pas l'intégrité du signal jusqu'à quelques fréquences GHz (Source : Microchip)

Pour en savoir plus sur cette problématique avec les condensateurs de couplage AC, regardez notre vidéo sur Altium Academy.

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