高速PCBでACカップリングコンデンサを使用する方法

高速インターフェース、例えばSFPコネクタのTXおよびRXライン、PCIeレーン、メディア独立インターフェース（MII）ルーティングでは、ドライブコンポーネントと受信コンポーネントの間にACカップリングキャパシタを使用します。ACカップリングキャパシタは単純な機能を果たします：差動信号からDCバイアスを取り除き、受信側で感知される差動電圧が特定の範囲内になるようにします。受信側は、そのオンチップまたは外部終端回路の一部として、受信した差動信号に自身のDCバイアスオフセットを復元できます。これは、DCカップリングがマッチした抵抗器を使用し、回路の各側がDCバイアスを必要とするものの、受信チップ上でバイアスを内部的に設定するメカニズムがない場合と異なります。

ACカップリングキャパシタに関する大きな議論と、それらを高速チャネルでどのように使用すべきかについては、2つの領域に分かれます：

• キャパシタはどこに配置すべきか？ドライバーに近い場所、受信側に近い場所、または配置は重要ではないのか？
• キャパシタの下にグラウンドカットアウトを配置すべきか？これはスタックアップ全体を通過し、他のすべての信号に対するルーティングキープアウトとして機能すべきか？

この記事では、これらの点について調査します。私の立場は明確であり、この問題について語った他のSI専門家と一致しています。リンクの両端の終端がチャネル帯域幅内にある場合、ACカップリングコンデンサの位置は重要ではないはずです。もちろん、リンクの両端の終端品質にはわずかな偏差があり、終端は決して目標インピーダンスで完璧ではないため、実際のチャネルではこの振る舞いからわずかに逸脱する可能性があります。

ACカップリングコンデンサの選択

差動伝送線路に配置されたACカップリングコンデンサは、周波数の関数としてインピーダンスの不連続のように見えます。非常に低い周波数では、ACカップリングコンデンサは非常に大きなインピーダンスを示し、信号の低周波成分をブロックします。非常に高い周波数では、ACカップリングコンデンサは信号に対して透明であるように見え、ACカップリングコンデンサを通して見た入力インピーダンスは伝送線路のインピーダンスのように見えます。コンデンサのパッドやコンデンサのESL値からの他の寄生要素を除けば、ACカップリングコンデンサは非常に高い周波数で最大の信号を通過させると期待されます。

これにより、AC結合された差動チャネルで有効ないくつかのシンプルなコンデンサ選択および配置ガイドラインが提示されます：

• 差動ペアに沿ってキャパシタを対称的に配置し、必要に応じてトレースをパッケージにファンアウトさせてください。
• トレースの幅を超えないパッケージサイズとフットプリントを選択してください。
• 小さいパッケージサイズを好むと、ESL値が低くなります。
• 典型的なキャパシタの値は10 nFまたは100 nFです。

次に、配置ガイドラインを見て、その指導が文脈化できるかどうかを確認しましょう。

ACカップリングキャパシタの位置

上記の要因はACカップリングキャパシタの選択に対処していますが、キャパシタを配置すべき場所については対処していません。この点に関するガイダンスも半導体メーカーによって大きく異なり、専門家からのガイダンスはしばしば文脈を欠いています。これらのキャパシタをどこに配置すべきかを見るために、ドライバー、レシーバー、またはその間のどこかにこれらのコンポーネントを配置する決定をサポートするかもしれないテストデータとシミュレーションデータを見てみましょう。

ACカップリングキャパシタのテストデータ

まず、ドライバーとレシーバーの両方にACカップリングキャパシタを使用する差動チャネルでのアイダイアグラムを示すテストデータを見てみましょう。以下の画像は、EverExceedが提供したテストデータを示しており、このテストデータはアイダイアグラムを使用して二つの状況を比較しています。各ケースで、ACカップリングキャパシタは4.1インチのインターコネクトに沿って配置され、ドライバーまたはレシーバーからそれぞれ100ミルの位置にACカップリングキャパシタが配置されました。

テストデータはEverExceedで見ることができます。注意：私の意見として、この実験は不完全であり、ACカップリングキャパシタの配置に関して一般的な声明を出すべきではありません。

このアイダイアグラムでは、最初にACカップリングキャパシタをレシーバー近くに配置することが理想的であるように見えます。レシーバー側のACカップリングキャパシタ配置の場合、入力信号の立ち上がりエッジに沿ってエッジレートの劣化が見られるようです。信号が安定した後のジッターや全体のノイズレベルに変化は見られません。

測定の正確性を否定するわけではありませんが、ACカップリングコンデンサの位置だけがアイダイアグラムで観察されたエッジレートの劣化を引き起こしていると結論づけるのは非常に難しいです。より徹底的な実験では、さまざまなパラメータを変更し、それぞれのケースでアイダイアグラムを検討して、これらのダイアグラムの違いの他の可能性の原因を排除する必要がありました：

• トレースの幅と間隔のサイズをコンデンサの着地パッドサイズと比較して変更する。
• トレース間隔など、差動ペア設計の他の要因を変更する。

この特定の実験では検討されなかった2つの他の要因があります。それは、コンデンサの下にグラウンドカットアウトを使用することと、受信機の要求される帯域幅（ナイキスト周波数まで）内で終端が目標インピーダンスに一致しているかどうかです。これは、ACカップリングコンデンサには反射を生じさせるために必要であると時々言われます。幸いなことに、これはシミュレーションで検討されており、次のセクションで示します。

Simbeorからのシミュレーション結果

読者の中には、ポッドキャストエピソードでユーリ・シュレプネフを覚えている方もいるかもしれません。彼はSymbiorのシミュレーションソフトウェアの能力を実演しました。Symbiorは高速信号の整合性をシミュレートするのに優れたツールであり、そのモデルのいくつかはAltium Designerのレイヤースタックマネージャーに組み込まれています。

ユーリのアプリケーションノートの1つは、差動ペア上でのACカップリングキャパシタの使用に関するトピックを扱っています。彼のアプリケーションノートでは、いくつかの状況が検討されました：

• 大型ケースキャパシタと小型ケースキャパシタの使用
• 前方および後方のリターンロスを調べて相互性を判断する
• キャパシタの下にグラウンドカットアウトを使用することの検討

シミュレーションの詳細についてはここでは触れませんが、代わりに彼のアプリケーションノートを参照してください。リンクは以下に示された画像の引用として見つかります。

ユーリの研究からの大きなポイントは以下の通りです：

• 前方および後方の伝播は同一の挿入損失スペクトルを与える。ACカップリングキャパシタは相互的である。
• ACカップリングキャパシタの両側で異なる終端を使用すると、異なるリターンロスが生じ、これは配置が重要になることを意味します。なぜなら、配置がキャパシタの各側の入力インピーダンスを決定するからです。
• 同一に終端されたチャネルは同じリターンロスを示すため、配置は問題ではありません。
• トレース幅に近いパッドを持つ小型のキャパシタは、インピーダンスの不一致が小さいため、反射が低くなるようです。

最初のポイントに関して、挿入損失の結果は、結合されたキャパシタに沿った前方および後方の方向で同一の挿入損失曲線を示しています。結果はまた、互換チャネルに期待される通り、同一のグループ遅延を示しています。

グラウンドカットアウトの有無に関わらず、AC結合キャパシタの相互性を確認するSパラメータデータ。これらの結果をSimbeorアプリケーションノートで確認してください。

グラウンドカットアウトの使用とパッケージサイズ/SMDパッドの形状に関連する重要なリターンロス結果は以下に示されています。グラウンドカットアウトの使用は、キャパシタの下流にある入力インピーダンスに対してより良いマッチを提供するようであり、これはグラウンドカットアウトありの場合となしの場合とを比較したときのリターンロスが低いことによって示されています。

グラウンドカットアウトの有無による0402および0603キャパシタサイズのSパラメータデータの比較。これらの結果をSimbeorアプリケーションノートで確認してください。

グラウンドカットアウトの推奨についてもやや議論が分かれており、一部の高速設計者からは不要とされています。私は、実験で確認しやすいシミュレーション結果を信頼する傾向にありますが、現時点でグラウンドカットアウトの有無に特化した実験データを知ることはありません。また、グラウンドカットアウトが重要になるのは特定の周波数以上の場合だけであるとも考えられます。これは上記のシミュレーション結果からも示唆されています。

入力インピーダンスの不一致について

ACカップリングコンデンサの配置に関する重要な点は、コンデンサがチャネルの相互性に影響を与えないということです。コンデンサは受動的な線形回路要素なので、ACカップリングコンデンサを通じた信号伝播において自然に相互性が期待されます。チャネルの相互性は、Sパラメータの観点から次の関係を与えます：

相互チャネルのSパラメータ関係

言い換えると、チャネルを通じた伝送は方向に関係なく同じです。これは、カップリングコンデンサを配置し、ドライバーとレシーバーを入れ替えた場合でも、コンデンサの両側の入力インピーダンスがチャネルの帯域幅要件内で一致していれば、すべてのSパラメータが同一であることを意味します。これは、Yuriy Shlepnevのアプリケーションノートにある彼のシミュレーション結果からも確認できます。

シミュレーションと私たち自身の直感に基づくと、キャパシタを通じた前方および後方の伝播は完全に同じになります。したがって、キャパシタの配置とその取り付け形状が信号伝播に影響を与える唯一の要因であるべきです。これらは反射に影響を与え、これはリターンロスのシミュレーションまたは測定で見られるでしょう。

キャパシタを受信機の近くに配置するか、送信機の近くに配置するかは、シンプルな要因に依存します。AC結合キャパシタが、チャネルの帯域幅までの高周波範囲で過度のインピーダンス不一致を生じさせるかどうかです。キャパシタを通してドライバーまたは受信機のどちらを見ても、入力インピーダンスがチャネルの目標差動インピーダンス値と一致する場合、配置は適切です。これを以下の図に示しました。

結合キャパシタを通して見た入力インピーダンスがあり、これはキャパシタの特性、受信機での入力インピーダンス、および受信機までの距離に依存します。

これにより、AC結合キャパシタの配置が全く問題にならない特定の3つの状況が生じると思います：

• 約2-3 GHz以下では、どの配置場所も適切です。
• 非常に長いチャネルで、配置がドライバーにも受信機にも近すぎない場合、結合キャパシタをどこに配置しても問題ありません。
• チャネルがチャネル帯域内で両端ともに完全にインピーダンスマッチしている場合、チャネルの長さに関係なく任意の配置が可能です。上記のユーリの挿入損失結果と、こちらにリンクされた返り損失結果（スライド26）がこれを確認しています。
• キャパシタの取り付け形状がトレースの形状と大きく異ならない場合、長さや配置場所に関わらず。

このリストのポイントは、数十GHzにわたる周波数で行われたユーリの調査結果と一致しています。

その他の興味深いカップリングキャパシタ配置の推奨事項

半導体メーカーからの配置ガイダンスの課題は、リンクの両端の終端が何であるかを一部のコンポーネントで説明していないことです。特定の場所に配置すべきだと言うかもしれませんが、それ以上の詳細はほとんどありません。

緩いガイダンスにもかかわらず、配置ガイダンスとパッケージ選択が非常に明確にされている例がいくつかあります。特に言及する価値があるのは2つです：

• ACカップリングコンデンサの配置について、PCIeエッジカードなどのアドインカードで、コンデンサがデバイス端またはコネクタ端に配置される場合。（出典：Intel）
• SFPコネクタを持つファイバートランシーバーなど、ホットプラグ可能なモジュールの近くにACカップリングコンデンサを配置すること。（出典：Dr. Howard Johnson, SigCon）
• MicrochipからのHSPICEシミュレーション結果によると、SMDパッケージの寄生要素やランディングパッドの形状は、数GHzの周波数までは信号整合性に影響を与えないとされています（出典：Microchip）

ACカップリングコンデンサに関するこの問題についてもっと知りたい場合は、Altium Academyで私たちのビデオをご覧ください。

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