Condensatori di accoppiamento CA nel routing PCIe

Zachariah Peterson
|  Creato: July 20, 2022  |  Aggiornato: September 24, 2022
Condensatori di accoppiamento PCIe AC

I condensatori di accoppiamento trovano molti usi nelle applicazioni analogiche e sui protocolli differenziali, agendo essenzialmente come filtri passa-alto che rimuovono la polarizzazione CC trasportata su un segnale. Nell'instradamento PCIe, i condensatori di accoppiamento vengono utilizzati per la stessa funzione (rimozione dell'offset CC), ma per scopi diversi. Nel caso di PCIe, ci sono alcuni motivi per collocare i condensatori di accoppiamento CA (AC coupling capacitors) sulle coppie differenziali, oltre al fatto che i condensatori di accoppiamento CA sono elencati nello standard. In questo articolo esamineremo brevemente dove e perché posizionare i condensatori di accoppiamento sui collegamenti PCIe.

Il ruolo dei condensatori di accoppiamento CA nel routing PCIe

Tutte le corsie PCIe sono instradate come coppie differenziali con un'impedenza differenziale definita, e il lato Tx di una corsia richiede condensatori di accoppiamento CA. Secondo la specifica PCIe, ci sono tre motivi principali per posizionare i condensatori di accoppiamento sulle linee Tx:

  • Isolamento CC: anche se le coppie differenziali PCIe vengono instradate su un'area di massa continua, è necessario un isolamento CC tra il lato driver e quello ricevitore di una corsia. Poiché il segnale differenziale viene recuperato misurando la differenza di potenziale tra le coppie, i condensatori CA rimuovono qualsiasi offset CC indotto sul segnale quando un driver e un ricevitore funzionano a tensioni diverse.
  • Rilevamento di eventi plug/unplug: alcune schede o moduli aggiuntivi sono sostituibili a caldo. I condensatori su una coppia Tx consentono al driver di utilizzare una costante di tempo RC per rilevare la presenza di un ricevitore al termine di una corsia.
  • Rilevamento del numero di corsie: nei componenti con più corsie PCIe, gli eventi plug/unplug si verificano su ogni corsia e il numero di corsie attivate può essere rilevato dal dispositivo compatibile con PCIe.
  • Offset di massa a blocco: il corollario al primo punto di cui sopra è la scomposizione di qualsiasi offset di massa tra una scheda madre e una scheda aggiuntiva PCIe. Il condensatore elimina l'influenza di qualsiasi offset CC tra le aree di massa nella scheda principale e la scheda o il modulo aggiuntivo.

I condensatori devono inoltre far passare la maggior quantità possibile di segnale fino alle alte frequenze, ciò significa che devono avere una frequenza di auto-risonanza sufficientemente alta. La specifica originale richiede almeno la terza armonica al di sopra della fondamentale, che può raggiungere il regime GHz per le nuove generazioni PCIe. Quando un segnale raggiunge il ricevitore, le sue possibilità di recupero riuscito saranno maggiori quando è disponibile una maggiore larghezza di banda, quindi la banda passante per questi condensatori dovrebbe avere un punto di interruzione sufficientemente alto.

Posizionamento dei condensatori di accoppiamento PCIe

La specifica di base PCIe richiede che ciascuna corsia di un canale PCIe sia accoppiata in CA tra il driver e il ricevitore per i motivi di cui sopra. L'ubicazione effettiva dei condensatori di accoppiamento CA può essere situata all'interno o all'esterno dello stampo/componente a ciascuna estremità del collegamento. In altre parole, se si guarda un layout casuale e non si vedono condensatori di accoppiamento CA lungo il collegamento, questi potrebbero essere integrati nell'I/O sul trasmettitore. Assicurati di controllare le schede tecniche dei componenti per verificarlo.

Condensatori di accoppiamento CA pcie
Vedi i condensatori in questa scatola rossa? Questi sono i condensatori di accoppiamento sulle corsie di trasmissione PCIe per questo SSD.

Nella maggior parte dei casi, i condensatori di accoppiamento CA non sono integrati nel lato di trasmissione dell'interfaccia, quindi è necessario posizionare i condensatori CA in un punto lungo il link. Le loro posizioni dipendono dal sistema che si sta progettando. Le riassumiamo nella tabella seguente.

Schede/moduli aggiuntivi

Posizionare i condensatori sulla scheda aggiuntiva accanto all'interfaccia di trasmissione. Non posizionare i condensatori sulla scheda lato ricevitore delle reti di trasmissione o sulla scheda madre.

Scheda madre o scheda host di sistema che si collegano a un modulo

Posizionare i condensatori di accoppiamento CA sulle coppie TX accanto al controller di sistema con l'interfaccia PCIe.

Due chip PCIe sulla stessa scheda

Tutte le coppie differenziali (Rx e Tx) devono avere dei condensatori di accoppiamento CA da qualche parte lungo ciascuna coppia differenziale.

Routing su layer superiori o inferiori?

Una buona strategia per lavorare con le interfacce PCIe consiste nell'instradare le corsie Rx e Tx su layer opposti della scheda. Molti PCB che conterranno corsie PCIe avranno quattro layer. Ad esempio, le schede madri dei computer e le schede aggiuntive sono comunemente ottimizzate per un basso numero di layer al fine di ridurre i costi: questo impone quindi la scelta di una scheda a 4 layer (SIG + PWR/GND/GND/SIG + stack-up PWR). In questo tipo di sistema, il routing tra vias sarà possibile senza stub che potrebbero limitare la larghezza di banda del canale. Qualunque sia il layer su cui si decide di effettuare l'instradamento, è meglio posizionare i condensatori e instradare sullo strato superficiale, in modo che l'induttanza del via non limiti la larghezza di banda del canale.

Non dimenticare di valutare i link PCIe!

Sebbene il posizionamento di questi condensatori sia elencato nello standard PCI-SIG, è comunque importante valutare completamente il design del collegamento nel sistema. Il posizionamento dei condensatori di accoppiamento PCIe è solo una fase del routing PCIe. Quando si lavora ad alta velocità nelle nuove generazioni di PCIe, la valutazione è importante anche per garantire il corretto funzionamento del collegamento. Ciò richiede almeno test e simulazione.

Gli strumenti di simulazione semplificano la valutazione di un canale PCIe analizzando alcune metriche chiave:

  • Un diagramma a occhio per ogni corsia
  • Un simulatore di impedenza in grado di individuare le deviazioni di impedenza lungo una corsia
  • Simulatori di parametri S per ciascuna corsia

Poiché i collegamenti PCIe sono canali digitali a banda larga, richiedono l'esame del comportamento del segnale direttamente da un diagramma a occhio e la valutazione del tasso di errore in bit per determinare la conformità. Se si esegue il routing da una scheda di espansione a una scheda host di sistema tramite un connettore a foro passante, sarà necessario qualificare anche gli stub lungo gli instradamenti. Leggi questo articolo sull'identificazione delle risonanze stub nei link PCIe per saperne di più.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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