고속 PCB에서 AC 커플링 커패시터 사용 방법

SFP 커넥터, PCIe 레인 및 미디어 독립 인터페이스(MII) 라우팅과 같은 고속 인터페이스는 드라이브와 수신 구성 요소 사이에 AC 커플링 커패시터를 사용합니다. AC 커플링 커패시터는 간단한 기능을 수행합니다: 차동 신호에서 DC 바이어스를 제거하여 수신기에서 감지되는 차동 전압이 특정 범위 내에 있도록 합니다. 수신기는 자체의 온칩 또는 외부 종단 회로의 일부로 수신된 차동 신호에 자체 DC 바이어스 오프셋을 복원할 수 있습니다. 이는 회로의 각 측면이 DC 바이어스가 필요하지만 수신된 칩에서 바이어스를 내부적으로 설정할 메커니즘이 없는 DC 커플링과 매치된 저항체와 다릅니다.

고속 채널에서 AC 커플링 커패시터를 어떻게 사용해야 하는지에 대한 큰 논쟁은 두 가지 영역으로 나뉩니다:

• 커패시터는 어디에 배치해야 하나요? 드라이버에 가깝게, 수신기에 가깝게, 아니면 배치가 중요하지 않나요?
• 커패시터 아래에 그라운드 컷아웃을 배치해야 하나요? 이것이 전체 스택업을 통과하여 다른 모든 신호에 대한 라우팅 킵아웃 역할을 해야 하나요?

이 글에서는 이러한 점들을 살펴볼 것입니다. 제 입장은 명확하며 이 문제에 대해 이야기한 다른 SI 전문가들과 일치합니다. 링크의 양 끝에서의 종단이 채널 대역폭 내에 있다면, AC 커플링 커패시터의 위치는 중요하지 않아야 합니다. 물론, 링크 양 끝에서의 종단 품질에는 약간의 차이가 있을 수 있습니다. 왜냐하면 종단이 절대 목표 임피던스에 완벽하게 맞춰지는 것은 아니기 때문에, 실제 채널에서는 이러한 동작에서 약간의 차이가 발생할 수 있습니다.

AC 커플링 커패시터 선택

차동 전송선에 배치된 AC 커플링 커패시터는 주파수의 함수로 볼 때 임피던스 불연속처럼 보입니다. 매우 낮은 주파수에서 AC 커플링 커패시터는 매우 큰 임피던스를 나타내어 신호의 저주파 부분을 차단합니다. 매우 높은 주파수에서는 AC 커플링 커패시터가 신호에 대해 투명해 보이므로, AC 커플링 커패시터를 통해 본 입력 임피던스는 전송선 임피던스와 같아 보입니다. 커패시터 패드나 커패시터의 ESL 값에서 오는 기타 기생성분을 제외하고, 우리는 AC 커플링 커패시터가 매우 높은 주파수에서 최대 신호를 통과시킬 것으로 예상합니다.

이는 AC 커플링된 차동 채널에서 유효한 몇 가지 간단한 커패시터 선택 및 배치 지침으로 이어집니다:

• 차동 쌍을 따라 커패시터를 대칭적으로 배치하고, 필요한 경우 패키지로 트레이스를 팬 아웃하십시오.
• 차동 쌍의 트레이스 너비를 초과하지 않는 패키지 크기와 풋프린트를 선택하십시오.
• 더 낮은 ESL 값을 가지는 작은 패키지 크기를 선호하십시오.
• 전형적인 커패시터 값은 10 nF 또는 100 nF입니다.

다음으로, 배치 지침을 살펴보고 지침을 맥락에 맞게 조정할 수 있는지 확인해 봅시다.

AC 커플링 커패시터의 위치

위에 나열된 요소들은 AC 커플링 커패시터 선택에 대해 설명하지만, 커패시터가 배치되어야 할 위치에 대해서는 설명하지 않습니다. 이 지점에 대한 지침은 반도체 제조업체마다 크게 다르며, 전문가의 지침은 종종 맥락이 부족할 수 있습니다. 이 커패시터들이 어디에 배치되어야 하는지 보기 위해, 드라이버, 수신기 또는 그 사이 어디든지 이러한 구성 요소를 배치하기로 결정하는 데 도움이 될 수 있는 테스트 데이터와 시뮬레이션 데이터를 살펴봅시다.

AC 커플링 커패시터 테스트 데이터

먼저, 드라이버와 수신기에서 AC 커플링 커패시터를 사용하는 차동 채널에서의 아이 다이어그램을 보여주는 일부 테스트 데이터를 살펴보겠습니다. 아래 이미지는 EverExceed에서 제공한 테스트 데이터를 보여주며, 이 테스트 데이터는 아이 다이어그램을 사용하여 두 상황을 비교합니다. 각 경우에 AC 커플링 커패시터는 4.1인치 인터커넥트를 따라 배치되었으며, AC 커플링 커패시터는 각각 드라이버나 수신기로부터 100mil 떨어진 곳에 배치되었습니다.

테스트 데이터는 EverExceed에서 찾을 수 있습니다. 주의: 제 의견으로는 이 실험은 불완전하며 AC 커플링 커패시터 배치에 대해 일반화된 진술을 해서는 안 됩니다.

이 아이 다이어그램에서, 처음에는 AC 커플링 커패시터를 수신기 근처에 배치하는 것이 이상적인 위치로 보입니다. 수신기 측 AC 커플링 커패시터 배치의 경우, 들어오는 신호의 상승 에지를 따라 일부 에지 속도 저하가 있어 보입니다. 신호가 안정되면 지터나 전체적인 노이즈 수준에는 변화가 없어 보입니다.

측정의 정확성을 부인하지는 않지만, AC 커플링 캐패시터의 위치만이 아이 다이어그램에서 관찰된 에지 속도 저하를 초래한다고 결론짓기는 매우 어렵습니다. 더 철저한 실험은 더 많은 매개변수를 변화시키고 각 경우의 아이 다이어그램을 검토하여 이 다이어그램들의 차이에 대한 다른 가능한 원인을 배제했을 것입니다:

• 캐패시터 착륙 패드 크기에 비해 트레이스 폭과 간격의 크기를 변화시킵니다.
• 트레이스 간 간격과 같은 차동 쌍 설계의 다른 요소를 변화시킵니다.

이 특정 실험에서 검토되지 않은 두 가지 다른 요소는 캐패시터 아래에 그라운드 컷아웃을 사용하는 것과 수신기의 필요한 대역폭(나이퀴스트 주파수까지) 내에서 종단이 목표 임피던스와 일치하는지 여부입니다. 때때로 AC 커플링 캐패시터에 반사를 생성하기 위해 이것이 필요하다고 언급됩니다. 다행히도, 이것은 시뮬레이션에서 검토되었으며, 다음 섹션에서 보여줍니다.

Simbeor에서의 시뮬레이션 결과

독자들은 우리의 팟캐스트 에피소드에서 유리 셀레프네프를 기억할 수 있을 것입니다. 그는 Symbior의 시뮬레이션 소프트웨어의 능력을 보여주었습니다. Symbior는 고속 신호 무결성을 시뮬레이션하는 데 탁월한 도구이며, 그 중 일부 모델은 Altium Designer의 Layer Stack Manager에 내장되어 있습니다.

유리의 응용 노트 중 하나는 차동 쌍에서 AC 커플링 커패시터 사용에 관한 주제를 다룹니다. 그의 응용 노트에서 검토된 여러 상황은 다음과 같습니다:

• 큰 케이스 커패시터와 작은 케이스 커패시터의 사용
• 상호성을 결정하기 위한 전방 및 후방 반사 손실 검토
• 커패시터 아래에 그라운드 컷아웃 사용 검토

시뮬레이션 세부 사항으로 여러분을 지루하게 하지 않고 대신 그의 응용 노트를 참조하도록 하겠습니다; 아래에 표시된 이미지에 인용으로 링크가 있습니다.

유리의 작업에서 얻을 수 있는 주요 내용은 다음과 같습니다:

• 전방 및 후방 전파는 동일한 삽입 손실 스펙트럼을 제공합니다; AC 커플링 커패시터는 상호적입니다.
• AC 커플링 커패시터 양쪽의 다른 종단은 다른 반사 손실을 제공합니다, 이는 이제 배치가 중요해진다는 것을 의미합니다. 왜냐하면 배치가 커패시터 양쪽의 입력 임피던스를 결정하기 때문입니다.
• 동일하게 종료된 채널은 동일한 반환 손실을 제공하므로 배치는 중요하지 않습니다.
• 트레이스 너비에 더 가까운 패드를 가진 작은 케이스 캐패시터는 더 작은 임피던스 불일치로 인해 반사가 낮아지는 것으로 보입니다.

첫 번째 포인트와 관련하여, 삽입 손실 결과는 결합된 캐패시터를 따라 전방 및 후방 방향에서 동일한 삽입 손실 곡선을 보여줍니다. 결과는 또한 동일한 그룹 지연을 보여주는데, 이는 상호 채널에 대해 예상되는 바와 정확히 일치합니다.

그라운드 컷아웃 유무에 따른 AC 결합 캐패시터의 상호성을 확인하는 S-파라미터 데이터.이 결과를 Simbeor 애플리케이션 노트에서 확인하세요.

그라운드 컷아웃 사용과 패키지 크기/SMD 패드 기하학과 관련된 중요한 반환 손실 결과는 아래에 나와 있습니다. 그라운드 컷아웃 사용은 캐패시터에서 하류로의 입력 임피던스와 더 나은 매칭을 제공하는 것으로 보이며, 이는 그라운드 컷아웃이 있는 경우와 없는 경우에 대한 낮은 반환 손실로 나타납니다.

그라운드 컷아웃 유무에 따른 0402 및 0603 캐패시터 크기 비교 S-파라미터 데이터. 이 결과를 Simbeor 애플리케이션 노트에서 확인하세요.

그라운드 컷아웃 권장 사항도 다소 논란의 여지가 있으며 일부 고속 설계자들에 의해 불필요하다고 여겨져 왔습니다. 실험에서 확인하기 쉬운 시뮬레이션 결과를 신뢰하는 편이지만, 현재로서는 그라운드 컷아웃이 있는 경우를 구체적으로 살펴본 실험 데이터를 알지 못합니다. 또한 그라운드 컷아웃이 특정 주파수 이상에서만 중요하다고 예상하는데, 이는 위의 시뮬레이션 결과에서 암시되고 있습니다.

입력 임피던스 불일치에 관한 모든 것

AC 커플링 커패시터 배치와 관련된 중요한 점은 커패시터가 채널 상호성에 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 커패시터는 수동적인 선형 회로 요소이므로, AC 커플링 커패시터를 통한 신호 전파에 대해 상호성을 자연스럽게 예상할 수 있습니다. 채널 상호성은 S-파라미터 측면에서 다음과 같은 관계를 제공합니다:

상호 채널에 대한 S-파라미터 관계

즉, 채널을 통한 전송은 방향에 관계없이 동일합니다. 이는 우리가 커플링 커패시터를 배치하고, 드라이버와 수신기를 바꾸었을 때, 커패시터 양쪽의 입력 임피던스가 채널의 대역폭 요구 사항 내에서 일치하는 한 모든 S-파라미터가 동일하다는 것을 의미합니다. 이는 Yuriy Shlepnev의 응용 노트에서 볼 수 있는 몇몇 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있습니다.

시뮬레이션과 우리의 직관에 기반하여, 커패시터를 통한 전방 및 후방 전파는 정확히 동일할 것입니다. 따라서 커패시터의 배치와 그 장착 형태만이 신호 전파에 영향을 미치는 유일한 요소가 되어야 합니다. 이는 반사에 영향을 미치며, 이는 반환 손실 시뮬레이션 또는 측정에서 확인될 것입니다.

커패시터를 수신기 근처에 배치해야 하는지, 송신기 근처에 배치해야 하는지는 간단한 요소에 따라 달라집니다: AC 결합 커패시터가 채널 대역폭까지의 고주파 범위에서 과도한 임피던스 불일치를 생성하는지 여부입니다. 커패시터를 통해 드라이버나 수신기 쪽을 바라보는 입력 임피던스가 채널의 목표 차동 임피던스 값과 일치할 때 배치가 적절합니다. 이를 아래 다이어그램에서 설명했습니다.

결합 커패시터를 통해 바라보는 입력 임피던스가 있으며, 이는 커패시터의 특성, 수신기에서의 입력 임피던스, 그리고 수신기까지의 거리에 따라 달라질 것입니다.

이는 AC 결합 커패시터의 배치가 전혀 중요하지 않은 세 가지 특정 상황으로 이어진다고 생각합니다:

• 약 2-3GHz 이하에서는 어떤 배치 위치도 적절합니다.
• 매우 긴 채널에서, 배치가 드라이버나 수신기에 너무 가깝지 않은 경우, 결합 커패시터를 어디에 배치하든 상관없어야 합니다.
• 채널이 채널 대역폭 내에서 양쪽 끝에서 완벽하게 임피던스 매칭되었을 때, 채널 길이에 관계없이 어떤 배치도 괜찮습니다. 위의 유리의 삽입 손실 결과와 여기에 연결된 반사 손실 결과(ptag70)가 이를 확인해줍니다.
• 캐패시터의 장착 기하학이 트레이스 기하학과 크게 다르지 않을 때, 길이와 배치 위치에 관계없습니다.

이 목록의 포인트들은 10GHz대를 포괄하는 주파수에서 수행된 유리의 조사 결과와 일치합니다.

다른 흥미로운 커플링 캐패시터 배치 권장 사항

반도체 제조업체로부터의 배치 지침의 도전은 그들이 링크의 양쪽 끝에서의 종단을 어떻게 설명하지 않는다는 것입니다. 그들은 특정 위치에 배치해야 한다고 말할 수 있지만, 그 이상의 정보는 거의 제공하지 않습니다.

느슨한 지침에도 불구하고, 배치 지침과 패키지 선택이 매우 명확하게 제시된 몇 가지 예가 있습니다. 특히 두 가지를 언급할 가치가 있습니다:

• PCIe 엣지 카드와 같은 추가 카드에 AC 커플링 커패시터를 배치하는 방법으로, 커패시터를 장치 끝이나 커넥터 끝에 배치합니다. (출처: Intel)
• SFP 커넥터가 있는 광 트랜시버와 같은 핫 플러그 가능 모듈 근처에 AC 커플링 커패시터를 배치하는 방법. (출처: Dr. Howard Johnson, SigCon)
• Microchip의 HSPICE 시뮬레이션 결과에 따르면, SMD 패키지의 기생성분과 랜딩 패드 기하학적 형태는 몇 GHz 주파수까지 신호 무결성에 영향을 주지 않습니다 (출처: Microchip)

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