Cách Sử Dụng Tụ Điện Ghép AC trong PCB Tốc Độ Cao

Giao diện tốc độ cao như các dòng TX và RX cho các kết nối SFP, làn PCIe, và định tuyến Media Independent Interface (MII) sử dụng tụ điện ghép AC giữa các thành phần truyền và nhận. Tụ điện ghép AC thực hiện một chức năng đơn giản: chúng loại bỏ điện áp một chiều (DC bias) khỏi tín hiệu vi sai để điện áp vi sai cảm nhận tại bộ nhận nằm trong một phạm vi nhất định. Bộ nhận có thể khôi phục độ lệch DC bias của riêng mình trên tín hiệu vi sai nhận được như một phần của mạch kết thúc trên chip hoặc bên ngoài. Điều này khác với ghép DC bằng cách sử dụng điện trở khớp, nơi mà mỗi phía của mạch cần DC bias, nhưng không có cơ chế nào trên chip nhận để thiết lập bias một cách nội bộ tại bộ nhận.

Cuộc tranh luận lớn xung quanh tụ điện ghép AC và cách chúng nên được sử dụng trong các kênh tốc độ cao rơi vào hai lĩnh vực:

• Tụ điện nên được đặt ở đâu? Liệu nó nên gần với bộ truyền, gần với bộ nhận, hay vị trí đặt không quan trọng?
• Liệu một khoảng cắt dưới tụ điện nên được tạo ra không? Khoảng cắt này có nên xuyên qua toàn bộ cấu trúc và hoạt động như một khu vực giữ cho tất cả các tín hiệu khác không?

Tôi sẽ xem xét những điểm này trong bài viết này. Quan điểm của tôi rõ ràng và phù hợp với các chuyên gia SI khác đã nói về vấn đề này. Nếu việc kết thúc ở mỗi đầu của liên kết nằm trong băng thông kênh, thì vị trí của các tụ điện ghép AC không nên quan trọng. Tất nhiên, có những sai lệch nhỏ về chất lượng kết thúc ở mỗi đầu của liên kết, vì việc kết thúc không bao giờ hoàn hảo ở trở kháng mục tiêu, vì vậy có thể có những sai lệch nhỏ từ hành vi này trong các kênh thực tế.

Lựa chọn Tụ Điện Ghép AC

Khi được đặt trên một đường truyền tín hiệu vi sai, các tụ điện ghép AC trông giống như một sự không liên tục về trở kháng theo chức năng của tần số. Ở các tần số rất thấp, các tụ điện ghép AC có vẻ như trình bày một trở kháng rất lớn, do đó chặn các phần tín hiệu tần số thấp. Ở tần số rất cao, các tụ ghép AC có vẻ như trong suốt với tín hiệu, vì vậy trở kháng đầu vào nhìn qua tụ điện ghép AC giống như trở kháng của đường truyền tín hiệu. Nếu không có các yếu tố nhiễu khác từ các pad trên tụ điện hoặc giá trị ESL của tụ điện, chúng ta mong đợi các tụ điện ghép AC sẽ truyền tín hiệu tối đa ở các tần số rất cao.

Điều này đưa chúng ta đến một số hướng dẫn đơn giản về lựa chọn và đặt tụ điện, có giá trị trong các kênh vi sai ghép AC:

• Đặt các tụ điện đối xứng dọc theo cặp vi sai và mở rộng các đường dẫn vào gói nếu cần thiết.
• Chọn kích thước và dấu chân gói không vượt quá chiều rộng của các đường dẫn trong cặp vi sai của bạn.
• Ưu tiên chọn kích thước gói nhỏ hơn vì chúng sẽ có giá trị ESL thấp hơn.
• Các giá trị tụ điện điển hình là 10 nF hoặc 100 nF.

Tiếp theo, hãy xem xét các hướng dẫn về vị trí đặt và xem liệu hướng dẫn có thể được đặt trong ngữ cảnh cụ thể không.

Vị trí của Tụ Điện Ghép AC

Các yếu tố được liệt kê ở trên đề cập đến việc chọn tụ điện ghép AC, nhưng chúng không giải quyết vị trí nơi các tụ điện nên được đặt. Hướng dẫn về điểm này cũng thay đổi rộng rãi tùy theo nhà sản xuất bán dẫn, và hướng dẫn từ các chuyên gia thường thiếu ngữ cảnh. Để xem các tụ điện này nên được đặt ở đâu, hãy xem xét dữ liệu thử nghiệm và dữ liệu mô phỏng có thể hỗ trợ quyết định đặt các linh kiện này ở bộ điều khiển, bộ nhận, hoặc bất cứ đâu ở giữa.

Dữ Liệu Thử Nghiệm Tụ Điện Ghép AC

Đầu tiên, hãy xem một số dữ liệu thử nghiệm cho thấy các sơ đồ mắt trên một kênh chênh lệch sử dụng tụ điện ghép AC ở bộ phát và ở bộ thu. Hình ảnh dưới đây cho thấy dữ liệu thử nghiệm được cung cấp bởi EverExceed; dữ liệu thử nghiệm này so sánh hai tình huống sử dụng sơ đồ mắt. Trong mỗi trường hợp, tụ điện ghép AC được đặt dọc theo một kết nối dài 4.1 inch, và tụ điện ghép AC được đặt cách bộ phát hoặc bộ thu lần lượt 100 mil.

Dữ liệu thử nghiệm có thể được tìm thấy tại EverExceed. LƯU Ý: Theo ý kiến của tôi, thí nghiệm này chưa hoàn chỉnh và người ta không nên đưa ra những phát biểu khái quát về vị trí đặt tụ điện ghép AC.

Trong sơ đồ mắt này, ban đầu có vẻ như vị trí lý tưởng để đặt tụ điện ghép AC là gần bộ thu. Trong trường hợp đặt tụ điện ghép AC ở phía bộ thu, có vẻ như có một số suy giảm tốc độ biên dọc theo cạnh tăng của tín hiệu đến. Có vẻ như không có sự thay đổi nào về jitter hoặc mức độ nhiễu tổng thể một khi tín hiệu ổn định.

Tôi không phủ nhận độ chính xác của các phép đo, nhưng rất khó để kết luận rằng chỉ vị trí của các tụ điện ghép AC gây ra sự suy giảm tốc độ biên độ quan sát được trong biểu đồ mắt. Một thí nghiệm kỹ lưỡng hơn sẽ thay đổi nhiều tham số hơn và kiểm tra biểu đồ mắt trong từng trường hợp để loại bỏ các nguyên nhân khác có thể gây ra sự khác biệt trong các biểu đồ này:

• Thay đổi kích thước của độ rộng và khoảng cách dấu vết so với kích thước pad hạ cánh của tụ điện.
• Thay đổi các yếu tố khác trong thiết kế cặp vi sai, như khoảng cách giữa các dấu vết.

Có hai yếu tố khác không được xem xét trong thí nghiệm cụ thể này, đó là việc sử dụng một lỗ cắt dưới tụ điện và liệu sự kết thúc có phù hợp với trở kháng mục tiêu trong dải tần yêu cầu của bộ thu (đến tần số Nyquist) hay không. Đôi khi người ta nói rằng điều này là cần thiết cho các tụ điện ghép AC để tạo ra phản xạ. May mắn thay, điều này đã được kiểm tra trong mô phỏng, mà chúng tôi sẽ trình bày trong phần tiếp theo.

Kết quả Mô phỏng Từ Simbeor

Độc giả có thể nhớ Yuriy Shlepnev từ các tập podcast của chúng tôi, nơi ông đã trình bày khả năng của phần mềm mô phỏng Symbior. Symbior là một công cụ xuất sắc để mô phỏng tính toàn vẹn tín hiệu tốc độ cao, và một số mô hình của nó được tích hợp vào Quản lý Lớp Xếp chồng trong Altium Designer.

Một trong những ghi chú ứng dụng của Yuriy đề cập đến chủ đề sử dụng tụ điện ghép AC trên các cặp vi sai. Một số tình huống đã được xem xét trong ghi chú ứng dụng của ông:

• Sử dụng tụ điện kích thước lớn so với tụ điện kích thước nhỏ
• Xem xét tổn thất trả về tiến và lùi để xác định tính cân xứng
• Xem xét việc sử dụng một lỗ cắt dưới tụ điện

Tôi sẽ không làm bạn nhàm chán với chi tiết mô phỏng và thay vào đó sẽ giới thiệu độc giả đến các ghi chú ứng dụng của ông; các liên kết được tìm thấy dưới dạng trích dẫn trên các hình ảnh dưới đây.

Những điểm chính từ công việc của Yuriy như sau:

• Sự truyền tiếp và truyền lùi đưa ra phổ tổn thất chèn giống nhau; tụ điện ghép AC là cân xứng.
• Các kết thúc khác nhau ở mỗi bên của tụ điện ghép AC tạo ra các tổn thất trả về khác nhau, nghĩa là bây giờ vị trí đặt trở nên quan trọng vì vị trí sẽ xác định trở kháng đầu vào ở mỗi bên của tụ điện.
• Các kênh có điểm kết thúc giống hệt nhau cho thấy cùng một mức lỗ hồi, nghĩa là vị trí đặt không quan trọng.
• Tụ điện có kích thước nhỏ hơn với các pad gần với chiều rộng dấu vết có vẻ như cho phản xạ thấp hơn do sự không khớp trở kháng nhỏ hơn.

Về điểm đầu tiên, kết quả mất mát chèn cho thấy các đường cong mất mát chèn giống hệt nhau theo cả hai hướng tiến và lùi dọc theo một tụ điện ghép nối. Kết quả cũng cho thấy độ trễ nhóm giống nhau, đúng như người ta mong đợi cho một kênh có tính chất đối xứng.

Dữ liệu tham số S xác nhận tính đối xứng của tụ điện ghép AC với và không có cắt đất. Xem kết quả này trong ghi chú ứng dụng Simbeor.

Kết quả lỗ hồi quan trọng liên quan đến việc sử dụng cắt đất và kích thước gói/SMD pad hình học được hiển thị dưới đây. Nó nên rất rõ ràng rằng việc sử dụng cắt đất có vẻ như cung cấp một sự khớp tốt hơn với trở kháng đầu vào phía sau tụ điện, được minh họa bởi lỗ hồi thấp hơn cho trường hợp có cắt đất so với không có cắt đất.

Dữ liệu tham số S so sánh kích thước tụ điện 0402 và 0603 với và không có cắt đất. Xem kết quả này trong ghi chú ứng dụng Simbeor.

Khuyến nghị về việc cắt lỗ mặt đất cũng khá gây tranh cãi và được một số nhà thiết kế tốc độ cao coi là không cần thiết. Tôi có xu hướng tin tưởng vào kết quả mô phỏng mà dễ dàng kiểm tra trong thí nghiệm, mặc dù hiện tại tôi không biết đến dữ liệu thí nghiệm nào cụ thể xem xét vấn đề có lỗ cắt mặt đất. Tôi cũng mong đợi rằng việc cắt lỗ mặt đất chỉ quan trọng ở trên một số tần số nhất định, điều này được ngụ ý trong kết quả mô phỏng trên.

Điều Quan Trọng Là Sự Không Khớp Trở Kháng Đầu Vào

Một điểm quan trọng liên quan đến việc đặt tụ điện ghép AC là các tụ điện không ảnh hưởng đến tính chất đối xứng của kênh. Tụ điện là các thành phần mạch tuyến tính bị động, vì vậy chúng ta tự nhiên mong đợi tính đối xứng cho sự truyền tải tín hiệu qua tụ điện ghép AC. Tính đối xứng của kênh cho chúng ta mối quan hệ sau đây về các tham số S:

Mối quan hệ tham số S cho các kênh đối xứng

Nói cách khác, việc truyền qua một kênh là như nhau bất kể hướng nào. Điều này có nghĩa là nếu chúng ta đặt một tụ điện ghép, và chúng ta đổi chỗ trình điều khiển và bộ nhận, tất cả các tham số S sẽ giống hệt nhau miễn là trở kháng đầu vào ở mỗi bên của tụ điện được khớp trong yêu cầu băng thông của kênh. Chúng ta có thể thấy điều này từ một số kết quả mô phỏng của Yuriy Shlepnev trong ghi chú ứng dụng của ông.

Dựa trên mô phỏng và trực giác của chúng tôi, sự truyền dẫn về phía trước và phía sau qua tụ điện sẽ hoàn toàn giống nhau. Do đó, vị trí đặt tụ điện và hình dạng lắp đặt của nó nên là những yếu tố duy nhất ảnh hưởng đến sự truyền dẫn tín hiệu, vì những yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến sự phản xạ, và điều này sẽ được thấy trong mô phỏng hoặc đo lường tổn thất trở lại.

Việc tụ điện nên được đặt gần bộ nhận hay gần bộ phát phụ thuộc vào một yếu tố đơn giản: liệu tụ điện ghép AC có tạo ra sự không khớp trở kháng quá mức trong dải tần số cao lên đến băng thông kênh hay không. Việc đặt vị trí là phù hợp khi trở kháng đầu vào nhìn qua tụ điện về phía cả bộ điều khiển hoặc bộ nhận khớp với giá trị trở kháng chênh lệch mục tiêu của kênh. Tôi đã minh họa điều này trong sơ đồ dưới đây.

Có một trở kháng đầu vào khi nhìn qua các tụ điện ghép, sẽ phụ thuộc vào đặc tính của tụ điện, trở kháng đầu vào tại bộ nhận, và khoảng cách đến bộ nhận.

Tôi nghĩ điều này dẫn đến ba tình huống cụ thể nơi việc đặt tụ điện ghép AC không quan trọng chút nào:

• Dưới khoảng 2-3 GHz, bất kỳ vị trí đặt nào cũng phù hợp.
• Trong một kênh rất dài, nơi việc đặt không quá gần bộ điều khiển hoặc quá gần bộ nhận, thì vị trí đặt tụ điện ghép không quan trọng.
• Khi kênh được ghép nối trở kháng hoàn hảo ở cả hai đầu trong băng thông kênh, bất kỳ vị trí đặt nào cũng được miễn là không phụ thuộc vào chiều dài kênh. Kết quả mất chèn của Yuriy ở trên và kết quả mất trở về được liên kết ở đây (slide 26) xác nhận điều này.
• Khi hình dạng lắp đặt cho các tụ điện không khác biệt đáng kể so với hình dạng đường dẫn, bất kể chiều dài và vị trí đặt.

Các điểm trong danh sách này phù hợp với kết quả từ các cuộc điều tra của Yuriy, được thực hiện ở các tần số kéo dài từ hàng chục GHz.

Khuyến nghị Đặt Tụ Điện Kết Nối Khác Thú Vị

Thách thức với hướng dẫn đặt từ các nhà sản xuất bán dẫn là họ không bao giờ mô tả kết thúc tại mỗi đầu của liên kết là gì trong một số linh kiện. Họ có thể cho bạn biết một vị trí cụ thể nơi nó nên được đặt, nhưng không nhiều hơn thế.

Mặc dù hướng dẫn lỏng lẻo, có một vài ví dụ nơi hướng dẫn đặt và lựa chọn gói được làm rất rõ ràng. Đặc biệt có hai ví dụ đáng chú ý:

• Việc đặt tụ điện ghép AC trên một card mở rộng, như thẻ cạnh PCIe, nơi mà các tụ điện được đặt ở phía cuối thiết bị hoặc phía cuối kết nối. (Nguồn: Intel)
• Việc đặt tụ điện ghép AC gần các mô-đun có thể cắm nóng, như bộ chuyển đổi quang với kết nối SFP. (Nguồn: Tiến sĩ Howard Johnson, SigCon)
• Theo kết quả mô phỏng HSPICE từ Microchip, sự cản trở của gói SMD và hình dạng bệ đặt không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn tín hiệu đến mức độ tần số vài GHz (Nguồn: Microchip)

Để tìm hiểu thêm về vấn đề này với tụ điện ghép AC, hãy xem video của chúng tôi trên Altium Academy.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường liên ngành ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá được bề nổi của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.