Como Usar Capacitores de Acoplamento AC em PCBs de Alta Velocidade

Interfaces de alta velocidade como linhas TX e RX para conectores SFP, pistas PCIe e roteamento de Interface Independente de Mídia (MII) utilizam capacitores de acoplamento AC entre componentes de transmissão e recepção. Os capacitores de acoplamento AC desempenham uma função simples: eles removem o viés de DC de um sinal diferencial de modo que a tensão diferencial percebida no receptor esteja dentro de uma certa faixa. O receptor pode restaurar seu próprio deslocamento de viés de DC no sinal diferencial recebido como parte de seu circuito de terminação on-chip ou externo. Isso difere do acoplamento DC com resistores combinados, onde cada lado do circuito precisa do viés de DC, mas não há mecanismo no chip receptor para definir o viés internamente no receptor.

O grande debate em torno dos capacitores de acoplamento AC e como eles devem ser usados em canais de alta velocidade cai em duas áreas:

• Onde os capacitores devem ser colocados? É perto do transmissor, perto do receptor, ou a colocação não importa?
• Deve-se colocar um recorte de terra abaixo dos capacitores? Isso deve passar por todo o empilhamento e agir como uma área de exclusão de roteamento para todos os outros sinais?

Vou abordar esses pontos neste artigo. Minha posição é clara e está alinhada com outros especialistas em SI que já discutiram este assunto. Se a terminação em cada extremidade do link estiver dentro da largura de banda do canal, então a localização dos capacitores de acoplamento AC não deve importar. Claro, há pequenas variações na qualidade da terminação em cada extremidade do link, já que a terminação nunca é perfeitamente na impedância alvo, então pode haver pequenas variações deste comportamento em canais reais.

Seleção de Capacitores de Acoplamento AC

Capacitores de acoplamento AC, quando colocados em uma linha de transmissão diferencial, parecem muito com uma descontinuidade de impedância como função da frequência. Em frequências muito baixas, os capacitores de acoplamento AC parecem apresentar uma impedância muito grande, bloqueando assim partes de baixa frequência de um sinal. Em frequência muito alta, os capacitores de acoplamento AC parecem ser transparentes ao sinal, então a impedância de entrada olhando através do capacitor de acoplamento AC parece com a impedância da linha de transmissão. Desconsiderando quaisquer outros parasitas dos pads no capacitor ou o valor de ESL do capacitor, esperaríamos que os capacitores de acoplamento AC passassem o máximo de sinal em frequências muito altas.

Isso nos leva a algumas diretrizes simples de seleção e posicionamento de capacitores que são válidas em canais diferenciais acoplados por AC:

• Posicione os capacitores simetricamente ao longo do par diferencial e expanda os traços para dentro do pacote, se necessário.
• Selecione um tamanho de pacote e footprint que não exceda a largura dos traços no seu par diferencial.
• Mantenha a preferência por tamanhos de pacote menores, pois estes terão um valor de ESL mais baixo.
• Os valores típicos de capacitores são 10 nF ou 100 nF.

A seguir, vamos olhar para as diretrizes de posicionamento e ver se a orientação pode ser contextualizada.

Localização dos Capacitores de Acoplamento AC

Os fatores listados acima abordam a seleção de capacitores de acoplamento AC, mas eles não tratam da localização onde os capacitores devem ser colocados. A orientação sobre este ponto também varia muito de acordo com o fabricante de semicondutores, e a orientação dos especialistas muitas vezes pode faltar contexto. Para ver onde esses capacitores devem ser colocados, vamos olhar para dados de teste e dados de simulação que podem apoiar uma decisão de colocar esses componentes no driver, receptor, ou em qualquer ponto intermediário.

Dados de Teste do Capacitor de Acoplamento AC

Primeiro, vamos olhar para alguns dados de teste mostrando diagramas de olho em um canal diferencial que usa capacitores de acoplamento AC tanto no transmissor quanto no receptor. As imagens abaixo mostram dados de teste fornecidos pela EverExceed; esses dados de teste comparam as duas situações usando diagramas de olho. Em cada caso, capacitores de acoplamento AC foram colocados ao longo de uma interconexão de 4,1 polegadas, e os capacitores de acoplamento AC foram colocados a 100 mil do transmissor ou receptor, respectivamente.

Os dados de teste podem ser encontrados em EverExceed. NOTA: Na minha opinião, este experimento é incompleto e não se deve fazer afirmações generalizadas sobre a colocação de capacitores de acoplamento AC.

No diagrama de olho, inicialmente parece que o local ideal para colocar capacitores de acoplamento AC é próximo ao receptor. No caso da colocação de capacitores de acoplamento AC do lado do receptor, parece haver alguma degradação da taxa de subida na borda ascendente do sinal de entrada. Parece não haver mudança no jitter ou no nível geral de ruído uma vez que o sinal se estabiliza.

Embora eu não negue a precisão das medições, é muito difícil concluir que apenas a localização dos capacitores de acoplamento AC produz a degradação da taxa de borda observada no diagrama de olho. Um experimento mais detalhado teria variado mais parâmetros e examinado os diagramas de olho em cada caso para eliminar outras possíveis causas das diferenças nestes diagramas:

• Varie o tamanho da largura e do espaçamento da trilha em comparação com o tamanho da almofada de aterrissagem do capacitor.
• Varie outros fatores no design do par diferencial, como o espaçamento entre trilhas.

Há dois outros fatores que não foram examinados neste experimento específico, que são o uso de um recorte de terra abaixo do capacitor e se a terminação corresponde à impedância alvo dentro da largura de banda requerida pelo receptor (até a frequência de Nyquist). Às vezes, afirma-se que isso é necessário para capacitores de acoplamento AC a fim de produzir reflexão. Felizmente, isso foi examinado em simulação, o que mostramos na próxima seção.

Resultados da Simulação de Simbeor

Os leitores podem se lembrar de Yuriy Shlepnev dos nossos episódios de podcast, onde ele demonstrou as capacidades do software de simulação da Symbior. A Symbior é uma excelente ferramenta para simular a integridade de sinal de alta velocidade, e alguns de seus modelos estão integrados ao Gerenciador de Pilhas de Camadas no Altium Designer.

Uma das notas de aplicação de Yuriy trata do uso de capacitores de acoplamento AC em pares diferenciais. Várias situações foram examinadas em sua nota de aplicação:

• Uso de capacitores de grande encapsulamento versus capacitores de pequeno encapsulamento
• Examinar a perda de retorno para frente e para trás para determinar a reciprocidade
• Examinar o uso de um recorte de terra abaixo de um capacitor

Não vou entediar vocês com os detalhes da simulação e, em vez disso, vou direcionar os leitores para suas notas de aplicação; os links estão como citações nas imagens mostradas abaixo.

As grandes conclusões do trabalho de Yuriy são as seguintes:

• A propagação para frente e para trás dá espectros de perda de inserção idênticos; capacitores de acoplamento AC são recíprocos.
• Diferentes terminações em cada lado do capacitor de acoplamento AC dão diferentes perdas de retorno, o que significa que agora o posicionamento importa porque o posicionamento determinará a impedância de entrada em cada lado do capacitor.
• Canais terminados de forma idêntica apresentam as mesmas perdas de retorno, o que significa que o posicionamento não importa.
• Capacitores de menor tamanho com pads mais próximos à largura do traço parecem apresentar menores reflexões devido à menor desadaptação de impedância.

Em relação ao primeiro ponto, os resultados de perda de inserção mostram curvas de perda de inserção idênticas nas direções para frente e para trás ao longo de um capacitor acoplado. Os resultados também mostram um atraso de grupo idêntico, que é exatamente o que se esperaria para um canal recíproco.

Dados de parâmetros-S confirmando a reciprocidade de capacitores de acoplamento AC com e sem recortes de terra.Veja esses resultados em uma nota de aplicação da Simbeor.

Os importantes resultados de perda de retorno relacionados ao uso de um recorte de terra e ao tamanho do pacote/geometria do pad SMD são mostrados abaixo. Deve ficar bastante claro que o uso de um recorte de terra parece fornecer uma melhor correspondência à impedância de entrada a jusante do capacitor, o que é ilustrado pela menor perda de retorno para o caso com o recorte de terra versus sem o recorte de terra.

Dados de parâmetros-S comparando tamanhos de capacitores 0402 e 0603 com e sem recortes de terra.Veja esses resultados em uma nota de aplicação da Simbeor.

A recomendação de recorte de terra também é um tanto controversa e foi considerada por alguns projetistas de alta velocidade como desnecessária. Eu tendo a confiar nos resultados de simulação que se prestam facilmente à verificação em um experimento, embora no momento eu não esteja ciente de dados experimentais que olhem especificamente para a questão de ter um recorte de terra. Eu também esperaria que o recorte de terra só importasse acima de certas frequências, algo que é implícito nos resultados de simulação acima.

É Tudo Sobre a Incompatibilidade da Impedância de Entrada

Um ponto importante em relação à colocação do capacitor de acoplamento AC é que os capacitores não impactam a reciprocidade do canal. Capacitores são elementos de circuito lineares passivos, então naturalmente esperaríamos reciprocidade para a propagação de sinal através de capacitores de acoplamento AC. A reciprocidade do canal nos dá a seguinte relação em termos de parâmetros-S:

Relação de parâmetros-S para canais recíprocos

Em outras palavras, a transmissão através de um canal é a mesma, independentemente da direção. Isso significa que, se colocássemos um capacitor de acoplamento, e trocássemos o driver e o receptor, todos os parâmetros-S seriam idênticos, desde que a impedância de entrada em cada lado do capacitor fosse compatível dentro da exigência de largura de banda do canal. Podemos ver isso a partir de alguns resultados de simulação de Yuriy Shlepnev em sua nota de aplicação.

Com base na simulação e em nossa própria intuição, a propagação para frente e para trás através do capacitor será exatamente a mesma. Portanto, o posicionamento do capacitor e sua geometria de montagem devem ser os únicos fatores que impactam a propagação do sinal, pois estes influenciariam as reflexões, e isso seria observado em uma simulação ou medição de perda de retorno.

Se os capacitores devem ser colocados perto do receptor ou perto do transmissor depende de um fator simples: se os capacitores de acoplamento AC criam desajuste de impedância excessivo na faixa de alta frequência até a largura de banda do canal. O posicionamento é apropriado quando a impedância de entrada olhando através do capacitor em direção ao driver ou receptor corresponde ao valor de impedância diferencial alvo do canal. Ilustrei isso no diagrama abaixo.

Existe uma impedância de entrada olhando através dos capacitores de acoplamento, que dependerá das características do capacitor, da impedância de entrada no receptor e da distância até o receptor.

Eu acho que isso leva a três situações em particular onde o posicionamento do capacitor de acoplamento AC não importa de todo:

• Abaixo de cerca de 2-3 GHz, qualquer local de posicionamento é apropriado.
• Em um canal muito longo, onde o posicionamento não é muito próximo ao driver ou muito próximo ao receptor, não deve importar onde os capacitores de acoplamento são colocados.
• Quando o canal está perfeitamente casado em impedância em ambas as extremidades dentro da largura de banda do canal, qualquer colocação é adequada, independentemente do comprimento do canal. Os resultados de perda de inserção do Yuriy acima e os resultados de perda de retorno vinculados aqui (slide 26) confirmam isso.
• Quando a geometria de montagem dos capacitores não é significativamente diferente da geometria do traço, independentemente do comprimento e local de colocação.

Os pontos nesta lista são consistentes com os resultados das investigações do Yuriy, que foram realizadas em frequências que abrangem dezenas de GHz.

Outras Recomendações Interessantes para a Colocação de Capacitores de Acoplamento

O desafio com as orientações de colocação dos fabricantes de semicondutores é que eles nunca descrevem qual é a terminação em cada extremidade do link em alguns componentes. Eles podem indicar um local específico onde ele deve ser colocado, mas não muito mais do que isso.

Apesar da orientação solta, há alguns exemplos onde a orientação de colocação e a seleção de pacote são muito claras. Duas em particular valem a pena mencionar:

• Colocação de capacitores de acoplamento AC em uma placa adicional, como uma placa de borda PCIe, onde os capacitores são colocados na extremidade do dispositivo ou na extremidade do conector. (Fonte: Intel)
• Colocação de capacitores de acoplamento AC perto de módulos hot-pluggable, como transceptores de fibra com conectores SFP. (Fonte: Dr. Howard Johnson, SigCon)
• De acordo com os resultados de simulação HSPICE da Microchip, parasitas de pacote SMD e geometrias de pad de aterrissagem não afetam a integridade do sinal até algumas frequências de GHz (Fonte: Microchip)

Para saber mais sobre esta questão com capacitores de acoplamento AC, assista ao nosso vídeo na Altium Academy.

Seja para construir eletrônicos de potência confiáveis ou sistemas digitais avançados, use o conjunto completo de recursos de design de PCB e ferramentas de CAD de classe mundial em Altium Designer®. Para implementar a colaboração no ambiente interdisciplinar de hoje, empresas inovadoras estão usando a plataforma Altium 365™ para compartilhar facilmente dados de design e colocar projetos em fabricação.

Apenas começamos a explorar o que é possível com o Altium Designer no Altium 365. Comece seu teste gratuito do Altium Designer + Altium 365 hoje.