Jak używać kondensatorów sprzęgających AC w szybkich PCB

Interfejsy wysokiej prędkości, takie jak linie TX i RX dla złączy SFP, ścieżki PCIe oraz trasowanie Media Independent Interface (MII), wykorzystują kondensatory sprzęgające AC pomiędzy komponentami nadawczymi i odbiorczymi. Kondensatory sprzęgające AC pełnią prostą funkcję: usuwają składową stałą (DC bias) z sygnału różnicowego, tak aby napięcie różnicowe wyczuwane przez odbiornik znajdowało się w określonym zakresie. Odbiornik może przywrócić własne przesunięcie składowej stałej na odebranym sygnale różnicowym jako część swojego wewnętrznego lub zewnętrznego obwodu zakończenia. Różni się to od sprzęgania DC z dopasowanymi rezystorami, gdzie każda strona obwodu potrzebuje składowej stałej, ale nie ma mechanizmu na odbieranym chipie do ustawienia składowej stałej wewnętrznie przy odbiorniku.

Wielka debata dotycząca kondensatorów sprzęgających AC i sposobu ich użycia w kanałach wysokiej prędkości sprowadza się do dwóch obszarów:

• Gdzie powinny być umieszczone kondensatory? Czy blisko nadajnika, blisko odbiornika, czy może umiejscowienie nie ma znaczenia?
• Czy pod kondensatorami powinno być umieszczone wycięcie masy? Czy powinno ono przechodzić przez cały układ warstw i działać jako obszar niedostępny dla trasowania wszystkich innych sygnałów?

Zajmę się tymi kwestiami w tym artykule. Moje stanowisko jest jasne i pokrywa się z opiniami innych ekspertów od SI, którzy wypowiadali się na ten temat. Jeśli terminacja na każdym końcu łącza mieści się w pasmie przepustowym kanału, to lokalizacja kondensatorów sprzęgających AC nie powinna mieć znaczenia. Oczywiście, mogą występować niewielkie odchylenia w jakości terminacji na każdym końcu łącza, ponieważ terminacja nigdy nie jest idealnie dopasowana do docelowej impedancji, więc mogą wystąpić niewielkie odchylenia od tego zachowania w rzeczywistych kanałach.

Wybór kondensatorów sprzęgających AC

Kondensatory sprzęgające AC, umieszczone na linii transmisyjnej różnicowej, wyglądają bardzo podobnie do nieciągłości impedancji w funkcji częstotliwości. Przy bardzo niskich częstotliwościach kondensatory sprzęgające AC wydają się prezentować bardzo dużą impedancję, blokując tym samym niskoczęstotliwościowe części sygnału. Przy bardzo wysokiej częstotliwości kondensatory sprzęgające AC wydają się być przezroczyste dla sygnału, więc impedancja wejściowa patrząc przez kondensator sprzęgający AC wygląda jak impedancja linii transmisyjnej. Pomijając inne elementy pasożytnicze pochodzące od padów na kondensatorze lub wartości ESL kondensatora, spodziewalibyśmy się, że kondensatory sprzęgające AC przepuszczają maksymalny sygnał przy bardzo wysokich częstotliwościach.

To prowadzi nas do kilku prostych wytycznych dotyczących wyboru i umiejscowienia kondensatorów, które są ważne w kanałach różnicowych sprzęganych AC:

• Umieść kondensatory symetrycznie wzdłuż pary różnicowej i w razie potrzeby rozprowadź ścieżki do obudowy.
• Wybierz rozmiar obudowy i ślad, który nie przekracza szerokości ścieżek w twojej parze różnicowej.
• Preferuj mniejsze rozmiary obudów, ponieważ będą one miały niższą wartość ESL.
• Typowe wartości kondensatorów to 10 nF lub 100 nF.

Następnie przyjrzyjmy się wytycznym dotyczącym umieszczania i zobaczmy, czy można je zastosować w konkretnym kontekście.

Lokalizacja kondensatorów sprzęgających AC

Czynniki wymienione powyżej dotyczą wyboru kondensatorów sprzęgających AC, ale nie adresują kwestii miejsca, w którym powinny być one umieszczone. Wytyczne w tym punkcie również znacznie różnią się w zależności od producenta półprzewodników, a rady ekspertów często mogą brakować kontekstu. Aby zobaczyć, gdzie te kondensatory powinny być umieszczone, przyjrzyjmy się danym z testów i symulacji, które mogą wspierać decyzję o umieszczeniu tych komponentów przy sterowniku, odbiorniku lub gdziekolwiek pomiędzy.

Dane testowe kondensatorów sprzęgających AC

Najpierw przyjrzyjmy się pewnym danym testowym, pokazującym diagramy oka na różnicowym kanale, który używa kondensatorów sprzęgających AC przy nadajniku i odbiorniku. Poniższe obrazy pokazują dane testowe dostarczone przez EverExceed; te dane testowe porównują dwie sytuacje za pomocą diagramów oka. W każdym przypadku kondensatory sprzęgające AC zostały umieszczone wzdłuż 4,1-calowego połączenia międzyelementowego, a kondensatory sprzęgające AC zostały umieszczone 100 mil od nadajnika lub odbiornika odpowiednio.

Dane testowe można znaleźć na EverExceed. UWAGA: Moim zdaniem, ten eksperyment jest niekompletny i nie należy formułować ogólnych stwierdzeń na temat umieszczania kondensatorów sprzęgających AC.

Na tym diagramie oka, początkowo wydaje się, że idealne miejsce na umieszczenie kondensatorów sprzęgających AC jest blisko odbiornika. W przypadku umieszczania kondensatorów sprzęgających AC po stronie odbiornika, wydaje się, że występuje pewne pogorszenie szybkości narastania na zboczu rosnącym sygnału przychodzącego. Wydaje się, że nie ma zmiany w jitterze ani ogólnym poziomie szumów, gdy sygnał ustabilizuje się.

Nie zaprzeczam dokładności pomiarów, jednak bardzo trudno jest stwierdzić, że jedynie lokalizacja kondensatorów sprzęgających AC powoduje obserwowane pogorszenie szybkości narastania sygnału, widoczne na diagramie oka. Bardziej szczegółowy eksperyment uwzględniałby zmianę większej liczby parametrów i analizę diagramów oka w każdym przypadku, aby wyeliminować inne możliwe przyczyny różnic w tych diagramach:

• Zmiana rozmiaru szerokości i odstępów ścieżek w porównaniu do rozmiaru miejsca lądowania kondensatora.
• Zmiana innych czynników w projektowaniu par różnicowych, takich jak odstępy między ścieżkami.

Dwa inne czynniki, które nie zostały zbadane w tym konkretnym eksperymencie, to użycie wycięcia masy pod kondensatorem oraz czy dopasowanie impedancji końcowej odpowiada docelowej impedancji w pasmo wymagane przez odbiornik (do częstotliwości Nyquista). Czasami twierdzi się, że jest to konieczne dla kondensatorów sprzęgających AC, aby wywołać odbicie. Na szczęście, zostało to zbadane w symulacji, co przedstawimy w następnej sekcji.

Wyniki symulacji z Simbeor

Czytelnicy mogą pamiętać Yuriy'a Shlepneva z naszych odcinków podcastu, gdzie demonstrował możliwości oprogramowania symulacyjnego Symbior. Symbior to doskonałe narzędzie do symulacji integralności sygnałów wysokiej prędkości, a niektóre z jego modeli są wbudowane w Menadżerze Stosu Warstw w Altium Designer.

Jedna z not aplikacyjnych Yuriy'a dotyczy tematu użycia kondensatorów sprzęgających AC w parach różnicowych. W swojej nocie aplikacyjnej zbadał kilka sytuacji:

• Użycie kondensatorów o dużych obudowach w porównaniu z małymi obudowami
• Badanie strat powrotnych w przód i w tył, aby określić wzajemność
• Badanie użycia wycięcia masy pod kondensatorem

Nie będę Was nudził szczegółami symulacji, zamiast tego odsyłam czytelników do jego not aplikacyjnych; linki znajdują się jako cytaty na obrazach poniżej.

Główne wnioski z pracy Yuriy'a są następujące:

• Propagacja w przód i w tył daje identyczne spektra strat wstawienia; kondensatory sprzęgające AC są wzajemne.
• Różne zakończenia po obu stronach kondensatora sprzęgającego AC dają różne straty powrotne, co oznacza, że teraz umiejscowienie ma znaczenie, ponieważ umiejscowienie będzie określać impedancję wejściową po każdej stronie kondensatora.
• Kanały z identycznym zakończeniem dają takie same straty zwrotne, co oznacza, że rozmieszczenie nie ma znaczenia.
• Kondensatory w mniejszych obudowach z padami bliżej szerokości ścieżki wydają się dawać mniejsze odbicia ze względu na mniejsze niedopasowanie impedancji.

Odnośnie pierwszego punktu, wyniki strat wstawienia pokazują identyczne krzywe strat wstawienia w kierunku do przodu i do tyłu wzdłuż sprzężonego kondensatora. Wyniki pokazują również identyczne opóźnienie grupowe, co jest dokładnie tym, czego można by oczekiwać w przypadku kanału wzajemnego.

Dane parametrów S potwierdzające wzajemność kondensatorów sprzęgających AC z wycięciami masy i bez nich.Zobacz te wyniki w notatce aplikacyjnej Simbeor.

Ważne wyniki strat zwrotnych dotyczące użycia wycięcia masy oraz rozmiaru obudowy/padów SMD są pokazane poniżej. Powinno być całkiem jasne, że użycie wycięcia masy wydaje się zapewniać lepsze dopasowanie do impedancji wejściowej za kondensatorem, co jest zilustrowane przez niższe straty zwrotne dla przypadku z wycięciem masy w porównaniu z przypadkiem bez wycięcia masy.

Dane parametrów S porównujące rozmiary kondensatorów 0402 i 0603 z wycięciami masy i bez nich.Zobacz te wyniki w notatce aplikacyjnej Simbeor.

Rekomendacja dotycząca wycinania masy jest również nieco kontrowersyjna i została uznana przez niektórych projektantów wysokich prędkości za niepotrzebną. Skłaniam się ku zaufaniu wynikom symulacji, które łatwo można zweryfikować eksperymentalnie, chociaż w tej chwili nie znam danych eksperymentalnych, które specjalnie analizowałyby problem posiadania wycięcia masy. Spodziewałbym się również, że wycięcie masy ma znaczenie tylko powyżej pewnych częstotliwości, co jest sugerowane w powyższych wynikach symulacji.

To wszystko kwestia niedopasowania impedancji wejściowej

Ważnym punktem dotyczącym umieszczania kondensatorów sprzęgających AC jest to, że kondensatory te nie wpływają na wzajemność kanału. Kondensatory są pasywnymi elementami liniowymi obwodu, więc naturalnie oczekiwalibyśmy wzajemności dla propagacji sygnału przez kondensatory sprzęgające AC. Wzajemność kanału daje nam następującą relację w terminach parametrów S:

Zależność parametrów S dla wzajemnych kanałów

Innymi słowy, transmisja przez kanał jest taka sama niezależnie od kierunku. Oznacza to, że jeśli umieścilibyśmy kondensator sprzęgający i zamienilibyśmy miejscami nadajnik i odbiornik, wszystkie parametry S byłyby identyczne, pod warunkiem że impedancja wejściowa po obu stronach kondensatora była dopasowana w ramach wymagań pasma kanału. Możemy to zobaczyć na podstawie niektórych wyników symulacji Jurija Szlepniewa w jego notatce aplikacyjnej.

Na podstawie symulacji i naszej własnej intuicji, propagacja w przód i w tył przez kondensator będzie dokładnie taka sama. Dlatego umiejscowienie kondensatora i jego geometria montażu powinny być jedynymi czynnikami wpływającymi na propagację sygnału, ponieważ mogłyby one wpływać na odbicia, co byłoby widoczne w symulacji lub pomiarze strat zwrotnych.

Czy kondensatory powinny być umieszczone blisko odbiornika czy nadajnika zależy od prostego czynnika: czy kondensatory sprzęgające AC tworzą nadmierne niedopasowanie impedancji w wysokim zakresie częstotliwości aż do pasma kanału. Umiejscowienie jest odpowiednie, gdy impedancja wejściowa patrząc przez kondensator w kierunku zarówno sterownika, jak i odbiornika, odpowiada docelowej wartości różnicowej impedancji kanału. Zilustrowałem to na poniższym diagramie.

Istnieje impedancja wejściowa patrząc przez kondensatory sprzęgające, która będzie zależna od charakterystyk kondensatora, impedancji wejściowej na odbiorniku oraz odległości do odbiornika.

Myślę, że prowadzi to do trzech szczególnych sytuacji, w których umiejscowienie kondensatora sprzęgającego AC w ogóle nie ma znaczenia:

• Poniżej około 2-3 GHz, każde miejsce umiejscowienia jest odpowiednie.
• W bardzo długim kanale, gdzie umiejscowienie nie jest zbyt blisko sterownika ani zbyt blisko odbiornika, nie powinno mieć znaczenia, gdzie umieszczone są kondensatory sprzęgające.
• Gdy kanał jest idealnie dopasowany impedancyjnie na obu końcach w pasmie przepustowym kanału, dowolne umieszczenie jest odpowiednie, niezależnie od długości kanału. Wyniki strat wtrąceniowych Yuriy'a powyżej oraz wyniki strat zwrotnych dostępne tutaj (slajd 26) potwierdzają to.
• Gdy geometria montażowa dla kondensatorów nie różni się znacząco od geometrii ścieżki, niezależnie od długości i miejsca umieszczenia.

Punkty na tej liście są zgodne z wynikami badań Yuriy'a, które były przeprowadzane przy częstotliwościach obejmujących dziesiątki GHz.

Inne interesujące zalecenia dotyczące umieszczania kondensatorów sprzęgających

Wyzwaniem w zaleceniach dotyczących umieszczania od producentów półprzewodników jest to, że nigdy nie opisują, jakie jest zakończenie na każdym końcu łącza w niektórych komponentach. Mogą podać konkretną lokalizację, gdzie powinno być umieszczone, ale niewiele więcej niż to.

Pomimo luźnych wytycznych, istnieje kilka przykładów, gdzie wytyczne dotyczące umieszczania i wybór opakowania są bardzo jasno określone. Dwa z nich w szczególności warto wspomnieć:

• Umieszczanie kondensatorów sprzęgających AC na karcie rozszerzeń, takiej jak karta krawędziowa PCIe, gdzie kondensatory są umieszczane na końcu urządzenia lub końcu złącza. (Źródło: Intel)
• Umieszczanie kondensatorów sprzęgających AC w pobliżu modułów umożliwiających gorące podłączanie, takich jak transceivery światłowodowe z złączami SFP. (Źródło: Dr Howard Johnson, SigCon)
• Zgodnie z wynikami symulacji HSPICE od Microchip, pasożytnicze właściwości obudowy SMD i geometria miejsc lutowania nie wpływają na integralność sygnału do częstotliwości kilku GHz (Źródło: Microchip)

Aby dowiedzieć się więcej o tej kwestii z kondensatorami sprzęgającymi AC, obejrzyj nasz film na Altium Academy.

Bez względu na to, czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer®. Aby w dzisiejszym środowisku wielodyscyplinarnym wdrożyć współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.