Come utilizzare i condensatori di accoppiamento AC nelle PCB ad alta velocità

Le interfacce ad alta velocità come le linee TX e RX per connettori SFP, le corsie PCIe e il routing dell'Interfaccia Indipendente dai Media (MII) utilizzano condensatori di accoppiamento AC tra i componenti di trasmissione e ricezione. I condensatori di accoppiamento AC svolgono una funzione semplice: rimuovono il bias DC da un segnale differenziale in modo che la tensione differenziale percepita al ricevitore sia entro un certo intervallo. Il ricevitore può ripristinare il proprio offset di bias DC sul segnale differenziale ricevuto come parte del suo circuito di terminazione on-chip o esterno. Questo si differenzia dall'accoppiamento DC con resistori abbinati, dove ogni lato del circuito necessita del bias DC, ma non esiste un meccanismo sul chip ricevente per impostare internamente il bias al ricevitore.

Il grande dibattito riguardante i condensatori di accoppiamento AC e come dovrebbero essere utilizzati nei canali ad alta velocità si concentra su due aree:

• Dove dovrebbero essere posizionati i condensatori? Vicino al trasmettitore, vicino al ricevitore, o la posizione non importa?
• Dovrebbe essere posizionato un taglio di terra sotto i condensatori? Dovrebbe attraversare l'intero stackup e agire come un keepout di routing per tutti gli altri segnali?

Esaminerò questi punti in questo articolo. La mia posizione è chiara ed è in linea con altri esperti di SI che hanno parlato di questa questione. Se la terminazione ad ogni estremità del collegamento è all'interno della larghezza di banda del canale, allora la posizione dei condensatori di accoppiamento AC non dovrebbe importare. Naturalmente, ci sono lievi deviazioni nella qualità della terminazione ad ogni estremità del collegamento, poiché la terminazione non è mai perfettamente all'impedenza target, quindi potrebbero esserci lievi deviazioni da questo comportamento nei canali reali.

Selezione dei Condensatori di Accoppiamento AC

I condensatori di accoppiamento AC, quando posizionati su una linea di trasmissione differenziale, sembrano molto come una discontinuità di impedenza in funzione della frequenza. A frequenze molto basse, i condensatori di accoppiamento AC sembrano presentare un'impedenza molto grande, bloccando così le porzioni di segnale a bassa frequenza. A frequenza molto alta, i condensatori di accoppiamento AC sembrano essere trasparenti al segnale, quindi l'impedenza in ingresso guardando attraverso il condensatore di accoppiamento AC sembra essere l'impedenza della linea di trasmissione. Escludendo altri elementi parassiti dai pad sul condensatore o dal valore ESL del condensatore, ci aspetteremmo che i condensatori di accoppiamento AC trasmettano il segnale massimo a frequenze molto alte.

Questo ci porta ad alcune semplici linee guida per la selezione e il posizionamento dei condensatori che sono valide nei canali differenziali accoppiati in AC:

• Posiziona i condensatori simmetricamente lungo la coppia differenziale e allarga le tracce verso il pacchetto se necessario.
• Scegli una dimensione del pacchetto e un footprint che non superi la larghezza delle tracce nella tua coppia differenziale.
• Preferisci dimensioni di pacchetto più piccole poiché avranno un valore ESL inferiore.
• I valori tipici dei condensatori sono 10 nF o 100 nF.

Successivamente, esaminiamo le linee guida per il posizionamento e vediamo se le indicazioni possono essere contestualizzate.

Posizione dei Condensatori di Accoppiamento AC

I fattori elencati sopra trattano la selezione dei condensatori di accoppiamento AC, ma non affrontano la posizione in cui i condensatori dovrebbero essere collocati. Anche le indicazioni su questo punto variano ampiamente a seconda del produttore di semiconduttori, e i consigli degli esperti possono spesso mancare di contesto. Per vedere dove questi condensatori dovrebbero essere posizionati, esaminiamo i dati di test e i dati di simulazione che possono supportare una decisione di posizionare questi componenti presso il driver, il ricevitore o in un punto intermedio.

Dati di Test dei Condensatori di Accoppiamento AC

Prima, diamo un'occhiata ad alcuni dati di test che mostrano diagrammi oculari su un canale differenziale che utilizza condensatori di accoppiamento AC sia sul driver che sul ricevitore. Le immagini sottostanti mostrano dati di test forniti da EverExceed; questi dati di test confrontano le due situazioni utilizzando diagrammi oculari. In ogni caso, i condensatori di accoppiamento AC sono stati posizionati lungo un interconnettore di 4,1 pollici, e i condensatori di accoppiamento AC sono stati posizionati a 100 mil dal driver o dal ricevitore rispettivamente.

I dati di test possono essere trovati su EverExceed. NOTA: A mio parere, questo esperimento è incompleto e non si dovrebbero fare affermazioni generalizzate sulla posizione dei condensatori di accoppiamento AC.

In questo diagramma oculare, inizialmente sembra che la posizione ideale per posizionare i condensatori di accoppiamento AC sia vicino al ricevitore. Nel caso della posizione dei condensatori di accoppiamento AC sul lato del ricevitore, sembra esserci una certa degradazione del tasso di salita lungo il bordo ascendente del segnale in arrivo. Non sembra esserci alcun cambiamento nel jitter o nel livello complessivo di rumore una volta che il segnale si stabilizza.

Non nego l'accuratezza delle misurazioni, ma è molto difficile concludere che solo la posizione dei condensatori di accoppiamento AC produca il degrado del tasso di transizione osservato nel diagramma ad occhio. Un esperimento più approfondito avrebbe variato più parametri ed esaminato i diagrammi ad occhio in ciascun caso al fine di eliminare altre possibili cause delle differenze in questi diagrammi:

• Variare la dimensione della larghezza e dello spazio della traccia rispetto alla dimensione del pad di atterraggio del condensatore.
• Variare altri fattori nel design della coppia differenziale, come lo spazio traccia-a-traccia.

Ci sono altri due fattori che non sono stati esaminati in questo particolare esperimento, che sono l'uso di un taglio di terra sotto il condensatore e se la terminazione corrisponde all'impedenza target entro la banda richiesta dal ricevitore (fino alla frequenza di Nyquist). A volte si afferma che ciò è necessario per i condensatori di accoppiamento AC al fine di produrre riflessione. Fortunatamente, ciò è stato esaminato in simulazione, che mostriamo nella prossima sezione.

Risultati della Simulazione da Simbeor

I lettori potrebbero ricordare Yuriy Shlepnev dai nostri episodi del podcast, dove ha dimostrato le capacità del software di simulazione di Symbior. Symbior è uno strumento eccellente per simulare l'integrità dei segnali ad alta velocità, e alcuni dei suoi modelli sono integrati nel Gestore del Pacchetto Strati in Altium Designer.

Una delle note applicative di Yuriy tratta l'uso dei condensatori di accoppiamento AC su coppie differenziali. Nella sua nota applicativa sono state esaminate diverse situazioni:

• L'uso di condensatori di grande dimensione rispetto a condensatori di piccole dimensioni
• Esaminare la perdita di ritorno in avanti e all'indietro per determinare la reciprocità
• Esaminare l'uso di un taglio di terra sotto un condensatore

Non vi annoierò con i dettagli della simulazione e invece rimanderò i lettori alle sue note applicative; i link si trovano come citazioni sulle immagini mostrate qui sotto.

Le grandi conclusioni dal lavoro di Yuriy sono le seguenti:

• La propagazione in avanti e all'indietro fornisce spettri di perdita di inserzione identici; i condensatori di accoppiamento AC sono reciproci.
• Diverse terminazioni su ciascun lato del condensatore di accoppiamento AC danno diverse perdite di ritorno, il che significa che ora la posizione è importante perché la posizione determinerà l'impedenza di ingresso su ciascun lato del condensatore.
• Canali terminati in modo identico presentano le stesse perdite di ritorno, il che significa che la posizione non ha importanza.
• I condensatori di dimensioni più piccole con pad più vicini alla larghezza della traccia sembrano dare minori riflessioni a causa di una minore disadattamento di impedenza.

Riguardo al primo punto, i risultati della perdita di inserzione mostrano curve di perdita di inserzione identiche nelle direzioni avanti e indietro lungo un condensatore accoppiato. I risultati mostrano anche un ritardo di gruppo identico, che è esattamente ciò che ci si aspetterebbe per un canale reciproco.

Dati dei parametri S che confermano la reciprocità dei condensatori di accoppiamento AC con e senza tagli di terra. Visualizza questi risultati in una nota applicativa di Simbeor.

I risultati importanti delle perdite di ritorno relativi all'uso di un taglio di terra e alla dimensione del pacchetto/geometria del pad SMD sono mostrati di seguito. Dovrebbe essere abbastanza chiaro che l'uso di un taglio di terra sembra fornire un migliore adattamento all'impedenza in ingresso a valle dal condensatore, che è illustrato dalla minore perdita di ritorno per il caso con il taglio di terra rispetto a senza il taglio di terra.

Dati dei parametri S che confrontano le dimensioni dei condensatori 0402 e 0603 con e senza tagli di terra. Visualizza questi risultati in una nota applicativa di Simbeor.

La raccomandazione riguardo al taglio della massa è anch'essa piuttosto controversa ed è stata considerata da alcuni progettisti di alta velocità come non necessaria. Tendo a fidarmi dei risultati delle simulazioni che si prestano facilmente alla verifica sperimentale, anche se al momento non sono a conoscenza di dati sperimentali che guardino specificamente alla questione del taglio della massa. Mi aspetterei anche che il taglio della massa abbia importanza solo al di sopra di certe frequenze, cosa che è implicita nei risultati delle simulazioni sopra citate.

Si Tratta Tutto di Disadattamento dell'Impedenza di Ingresso

Un punto importante riguardante il posizionamento dei condensatori di accoppiamento AC è che i condensatori non influenzano la reciprocità del canale. I condensatori sono elementi di circuito lineari passivi, quindi ci aspetteremmo naturalmente la reciprocità per la propagazione del segnale attraverso i condensatori di accoppiamento AC. La reciprocità del canale ci dà la seguente relazione in termini di parametri S:

Relazione dei parametri S per canali reciproci

In altre parole, la trasmissione attraverso un canale è la stessa indipendentemente dalla direzione. Questo significa che se posizionassimo un condensatore di accoppiamento, e scambiassimo driver e ricevitore, tutti i parametri S sarebbero identici a patto che l'impedenza di ingresso su ciascun lato del condensatore fosse abbinata entro il requisito di larghezza di banda del canale. Possiamo vedere ciò da alcuni dei risultati di simulazione di Yuriy Shlepnev nella sua nota applicativa.

Basandosi sulla simulazione e sulla nostra intuizione, la propagazione in avanti e all'indietro attraverso il condensatore sarà esattamente la stessa. Pertanto, il posizionamento del condensatore e la sua geometria di montaggio dovrebbero essere gli unici fattori che influenzano la propagazione del segnale, poiché questi influenzerebbero le riflessioni, e ciò sarebbe osservabile in una simulazione o misurazione della perdita di ritorno.

Se i condensatori dovrebbero essere posizionati vicino al ricevitore o vicino al trasmettitore dipende da un fattore semplice: se i condensatori di accoppiamento AC creano un'eccessiva disadattamento di impedenza nella gamma di alta frequenza fino alla larghezza di banda del canale. Il posizionamento è appropriato quando l'impedenza in ingresso guardando attraverso il condensatore verso sia il driver che il ricevitore corrisponde al valore dell'impedenza differenziale target del canale. Ho illustrato ciò nel diagramma qui sotto.

C'è un'impedenza in ingresso guardando attraverso i condensatori di accoppiamento, che dipenderà dalle caratteristiche del condensatore, dall'impedenza in ingresso al ricevitore e dalla distanza al ricevitore.

Penso che ciò porti a tre situazioni in particolare in cui il posizionamento del condensatore di accoppiamento AC non importa affatto:

• Al di sotto di circa 2-3 GHz, qualsiasi posizione di posizionamento è appropriata.
• In un canale molto lungo, dove il posizionamento non è troppo vicino al driver o troppo vicino al ricevitore, non dovrebbe importare dove sono posizionati i condensatori di accoppiamento.
• Quando il canale è perfettamente adattato in impedenza ad entrambe le estremità all'interno della larghezza di banda del canale, qualsiasi posizionamento va bene indipendentemente dalla lunghezza del canale. I risultati della perdita di inserzione di Yuriy sopra e i risultati della perdita di ritorno collegati qui (slide 26) confermano ciò.
• Quando la geometria di montaggio per i condensatori non è significativamente diversa dalla geometria della traccia, indipendentemente dalla lunghezza e dalla posizione di collocamento.

I punti in questo elenco sono coerenti con i risultati delle indagini di Yuriy, che sono state eseguite a frequenze che coprono decine di GHz.

Altre Raccomandazioni Interessanti per il Posizionamento dei Condensatori di Accoppiamento

La sfida con le indicazioni di posizionamento fornite dai produttori di semiconduttori è che non descrivono mai quale sia la terminazione ad ogni estremità del collegamento in alcuni componenti. Potrebbero indicarti una posizione specifica dove dovrebbe essere collocato, ma non molto più di questo.

Nonostante le indicazioni poco precise, ci sono alcuni esempi in cui le indicazioni di posizionamento e la selezione del pacchetto sono molto chiare. Due in particolare meritano di essere menzionati:

• Posizionamento dei condensatori di accoppiamento AC su una scheda di espansione, come una scheda di bordo PCIe, dove i condensatori sono posizionati all'estremità del dispositivo o all'estremità del connettore. (Fonte: Intel)
• Posizionamento dei condensatori di accoppiamento AC vicino a moduli hot-pluggable, come trasmettitori a fibra con connettori SFP. (Fonte: Dr. Howard Johnson, SigCon)
• Secondo i risultati della simulazione HSPICE di Microchip, le parassiticità del pacchetto SMD e le geometrie dei pad di atterraggio non influenzano l'integrità del segnale fino a frequenze di alcuni GHz (Fonte: Microchip)

Per saperne di più su questa problematica con i condensatori di accoppiamento AC, guarda il nostro video su Altium Academy.

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