Как использовать конденсаторы переменной связи в высокоскоростных печатных платах

Интерфейсы высокой скорости, такие как линии TX и RX для разъемов SFP, линии PCIe и маршрутизация Media Independent Interface (MII), используют конденсаторы переменной емкости между передающими и принимающими компонентами. Конденсаторы переменной емкости выполняют простую функцию: они удаляют постоянное смещение напряжения из дифференциального сигнала, так что дифференциальное напряжение, воспринимаемое приемником, находится в определенном диапазоне. Приемник может восстановить собственное смещение постоянного тока на принятом дифференциальном сигнале как часть своей внутренней или внешней схемы завершения. Это отличается от постоянной связи с согласованными резисторами, где каждая сторона схемы нуждается в смещении постоянного тока, но на принимающем чипе нет механизма для внутренней установки смещения на приемнике.

Большое обсуждение вокруг конденсаторов переменной емкости и как их следует использовать в каналах высокой скорости касается двух аспектов:

• Где должны быть размещены конденсаторы? Рядом с передатчиком, рядом с приемником или размещение не имеет значения?
• Следует ли размещать вырез под землю под конденсаторами? Должен ли этот вырез проходить через весь стек и действовать как зона запрета маршрутизации для всех других сигналов?

Я рассмотрю эти моменты в данной статье. Моя позиция ясна и совпадает с мнениями других экспертов по SI, которые обсуждали этот вопрос. Если терминация на каждом конце линии связи находится в пределах полосы пропускания канала, то расположение конденсаторов переменной связи не должно иметь значения. Конечно, есть небольшие отклонения в качестве терминации на каждом конце линии, поскольку терминация никогда не бывает идеально на целевом импедансе, так что могут быть небольшие отклонения от этого поведения в реальных каналах.

Выбор конденсаторов переменной связи

Конденсаторы переменной связи, установленные на дифференциальной линии передачи, выглядят много как разрыв импеданса в зависимости от частоты. На очень низких частотах конденсаторы переменной связи кажутся представляющими очень большой импеданс, таким образом блокируя низкочастотные составляющие сигнала. На очень высокой частоте конденсаторы переменной связи кажутся прозрачными для сигнала, так что входной импеданс, смотря через конденсатор переменной связи, выглядит как импеданс линии передачи. Не учитывая другие паразитные эффекты от площадок на конденсаторе или значение ESL конденсатора, мы ожидаем, что конденсаторы переменной связи будут передавать максимальный сигнал на очень высоких частотах.

Это приводит нас к нескольким простым рекомендациям по выбору и размещению конденсаторов, которые действительны в дифференциальных каналах с переменной связью:

• Разместите конденсаторы симметрично вдоль дифференциальной пары и, при необходимости, разведите дорожки к корпусу компонента.
• Выберите размер корпуса и посадочное место, которые не превышают ширину дорожек вашей дифференциальной пары.
• Отдавайте предпочтение меньшим размерам корпусов, так как они будут иметь более низкое значение ESL.
• Типичные значения конденсаторов составляют 10 нФ или 100 нФ.

Далее, давайте рассмотрим рекомендации по размещению и увидим, можно ли контекстуализировать эти рекомендации.

Расположение конденсаторов переменной связи

Вышеуказанные факторы касаются выбора конденсаторов переменной связи, но они не затрагивают вопрос о месте, где должны быть размещены конденсаторы. Рекомендации по этому вопросу также широко варьируются в зависимости от производителя полупроводников, и советы от экспертов часто могут быть лишены контекста. Чтобы увидеть, где эти конденсаторы должны быть размещены, давайте посмотрим на тестовые данные и данные симуляции, которые могут поддержать решение о размещении этих компонентов у драйвера, приемника или где-то между ними.

Тестовые данные конденсаторов переменной связи

Сначала давайте рассмотрим некоторые тестовые данные, показывающие диаграммы глаз на дифференциальном канале, который использует конденсаторы переменной связи на передатчике и на приемнике. Ниже приведенные изображения показывают тестовые данные, предоставленные EverExceed; эти тестовые данные сравнивают две ситуации с использованием диаграмм глаз. В каждом случае конденсаторы переменной связи размещались вдоль 4,1-дюймового соединения, и конденсаторы переменной связи размещались на расстоянии 100 мил от передатчика или приемника соответственно.

Тестовые данные можно найти на EverExceed. ПРИМЕЧАНИЕ: По моему мнению, этот эксперимент неполный, и не следует делать обобщенные заявления о размещении конденсаторов переменной связи.

На этой диаграмме глаз изначально кажется, что идеальное место для размещения конденсаторов переменной связи находится рядом с приемником. В случае размещения конденсатора переменной связи со стороны приемника, кажется, что есть некоторое ухудшение скорости фронта нарастающего края входящего сигнала. Кажется, что нет изменений в джиттере или общем уровне шума после установления сигнала.

Хотя я не отрицаю точности измерений, очень сложно сделать вывод, что только расположение конденсаторов AC-связи вызывает ухудшение скорости фронта, наблюдаемое на диаграмме глазков. Более тщательный эксперимент предполагал бы изменение большего количества параметров и изучение диаграмм глазков в каждом случае, чтобы исключить другие возможные причины различий в этих диаграммах:

• Изменить размер ширины и расстояния между дорожками по сравнению с размером посадочного места конденсатора.
• Изменить другие факторы в дизайне дифференциальной пары, такие как расстояние между дорожками.

Есть два других фактора, которые не были исследованы в этом конкретном эксперименте, это использование выреза под землю под конденсатором и соответствие терминации целевому импедансу в пределах требуемой полосы пропускания приемника (до найквистовской частоты). Иногда утверждается, что это необходимо для конденсаторов AC-связи, чтобы вызвать отражение. К счастью, это было исследовано в симуляции, которую мы покажем в следующем разделе.

Результаты симуляции от Simbeor

Читатели могут помнить Юрия Шлепнева из наших подкастов, где он демонстрировал возможности программного обеспечения для симуляции Symbior. Symbior является отличным инструментом для симуляции целостности высокоскоростных сигналов, и некоторые его модели встроены в Менеджер Слоев в Altium Designer.

Одна из заметок Юрия касается использования конденсаторов переменной связи на дифференциальных парах. В его заметке были рассмотрены несколько ситуаций:

• Использование конденсаторов большого и малого размера
• Анализ прямых и обратных потерь на возврате для определения взаимности
• Исследование использования выреза под конденсатором

Я не буду утомлять вас деталями симуляции и вместо этого отсылаю читателей к его заметкам; ссылки можно найти в подписях к изображениям ниже.

Основные выводы из работы Юрия следующие:

• Прямое и обратное распространение дают идентичные спектры потерь на вставке; конденсаторы переменной связи взаимны.
• Разные терминации с каждой стороны конденсатора переменной связи дают разные потери на возврате, что означает, что теперь расположение имеет значение, поскольку расположение будет определять входное сопротивление с каждой стороны конденсатора.
• Идентично завершенные каналы дают одинаковые потери на возврате, что означает, что расположение не имеет значения.
• Конденсаторы меньшего размера с контактными площадками, расположенными ближе к ширине трассы, кажутся дают меньшие отражения из-за меньшего несоответствия импеданса.

Относительно первого пункта, результаты потерь на вставке показывают идентичные кривые потерь на вставке в прямом и обратном направлениях вдоль связанного конденсатора. Результаты также показывают идентичную групповую задержку, что вполне ожидаемо для взаимного канала.

Данные S-параметров подтверждают взаимность AC связывающих конденсаторов с вырезами заземления и без них. Просмотрите эти результаты в заметке приложения Simbeor.

Важные результаты потерь на возврате, касающиеся использования выреза заземления и размера корпуса/геометрии SMD-площадок, показаны ниже. Должно быть вполне ясно, что использование выреза заземления, по-видимому, обеспечивает лучшее согласование с входным импедансом за конденсатором, что иллюстрируется меньшими потерями на возврате для случая с вырезом заземления по сравнению с случаем без выреза заземления.

Данные S-параметров сравнивают размеры конденсаторов 0402 и 0603 с вырезами заземления и без них. Просмотрите эти результаты в заметке приложения Simbeor.

Рекомендация по вырезу заземления также является довольно спорной и некоторыми разработчиками высокоскоростных устройств считается необязательной. Я склонен доверять результатам моделирования, которые легко поддаются проверке на практике, хотя на данный момент мне не известны экспериментальные данные, которые специально касались бы вопроса наличия выреза заземления. Я также ожидаю, что вырез заземления имеет значение только выше определенных частот, что подразумевается в вышеупомянутых результатах моделирования.

Все дело в несоответствии входного импеданса

Важный момент, касающийся размещения конденсаторов переменной связи, заключается в том, что конденсаторы не влияют на взаимность канала. Конденсаторы являются пассивными линейными элементами схемы, поэтому мы естественно ожидаем взаимности для передачи сигнала через конденсаторы переменной связи. Взаимность канала дает нам следующее соотношение в терминах S-параметров:

Соотношение S-параметров для взаимных каналов

Другими словами, передача через канал одинакова независимо от направления. Это означает, что если мы установили конденсатор связи и поменяли местами драйвер и приемник, все S-параметры будут идентичны, при условии, что входной импеданс с каждой стороны конденсатора согласован в пределах требований к полосе пропускания канала. Мы можем увидеть это на некоторых результатах моделирования Юрия Шлепнева в его приложении к заметке.

На основе симуляции и нашего собственного понимания, прямое и обратное распространение через конденсатор будет абсолютно одинаковым. Следовательно, расположение конденсатора и его монтажная геометрия должны быть единственными факторами, влияющими на распространение сигнала, поскольку они могут влиять на отражения, и это будет видно в симуляции или измерении потерь на возврате.

Размещение конденсаторов рядом с приемником или передатчиком зависит от простого фактора: создают ли конденсаторы переменной связи чрезмерное несоответствие импеданса в высокочастотном диапазоне до полосы пропускания канала. Размещение считается подходящим, когда входной импеданс, рассматриваемый через конденсатор в направлении как драйвера, так и приемника, соответствует целевому значению дифференциального импеданса канала. Я иллюстрировал это на диаграмме ниже.

Существует входной импеданс, рассматриваемый через конденсаторы связи, который будет зависеть от характеристик конденсатора, входного импеданса на приемнике и расстояния до приемника.

Я думаю, это приводит к трем конкретным ситуациям, когда размещение конденсатора переменной связи совсем не имеет значения:

• Ниже примерно 2-3 ГГц любое место размещения подходит.
• В очень длинном канале, где размещение не слишком близко к драйверу или не слишком близко к приемнику, не должно иметь значения, где размещены конденсаторы связи.
• Когда канал идеально согласован по импедансу на обоих концах в пределах полосы пропускания канала, расположение не имеет значения независимо от длины канала. Результаты потерь на вставке Юрия, указанные выше, и результаты обратных потерь, приведенные здесь (слайд 26), подтверждают это.
• Когда геометрия монтажа для конденсаторов не сильно отличается от геометрии трассы, независимо от длины и места установки.

Пункты в этом списке согласуются с результатами исследований Юрия, которые были проведены на частотах, охватывающих десятки ГГц.

Другие интересные рекомендации по размещению связывающих конденсаторов

Проблема с рекомендациями по размещению от производителей полупроводников заключается в том, что они никогда не описывают, какова терминиация на каждом конце связи в некоторых компонентах. Они могут указать конкретное место, где он должен быть установлен, но не много больше, чем это.

Несмотря на нечеткие рекомендации, есть несколько примеров, где рекомендации по размещению и выбор упаковки делаются очень четко. Два из них особенно стоит упомянуть:

• Размещение конденсаторов переменного тока на дополнительной карте, такой как карта расширения PCIe, где конденсаторы устанавливаются у устройства или у коннектора. (Источник: Intel)
• Размещение конденсаторов переменного тока рядом с модулями, поддерживающими горячую замену, такими как оптоволоконные передатчики с коннекторами SFP. (Источник: Доктор Говард Джонсон, SigCon)
• Согласно результатам симуляции в HSPICE от Microchip, паразитные параметры корпуса SMD и геометрия посадочных мест не влияют на целостность сигнала до частот в несколько ГГц (Источник: Microchip)

Чтобы узнать больше об этой проблеме с конденсаторами переменного тока, посмотрите наше видео на Altium Academy.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную электронику питания или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.