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精品信息

高速電路設計中耦合電容的重要性

2018-05-24 10:38瀏覽數:168

高速電路設計中耦合電容的重要性


相對于低頻電路需要做復雜的電路匹配,高頻電路結構相對簡單,可簡單的結構往往意味著需要考慮更多的問題。拿最常見的AC耦合電容來講,要么在芯片之間加兩顆直連,要么在芯片與連接器之間加兩顆??此坪唵?,但一切都因為高速而不同。高速使這顆電容變得不“理想”,這顆電容沒有設計好,可能會導致整個項目的失敗。因此,對高速電路而言,這顆AC耦合電容沒有優化好將是“致命”的。


下面筆者依據之前的項目經驗,盤點分析一下我在這顆電容的使用上遇到的一些問題。


最開始要先明白AC耦合電容的作用。一般來講,我們用AC耦合電容來提供直流偏壓,就是濾出信號的直流分量,使信號關于0軸對稱。既然是這個作用,那么這顆電容是不是可以放在通道的任何位置呢?這就是筆者最初做高頻電路時,在這顆電容使用上遇到的第一個問題——AC耦合電容到底該放在哪。

這里拿一個項目中常遇到典型的通路來分析。

高速電路設計中耦合電容的重要性1.jpg


圖1:AC耦合電容典型通路

在低速電路設計中,這顆電容可以等效成理想電容。而在高頻電路中,由于寄生電感的存在以及板材造成的阻抗不連續性,實際上這顆電容不能看作是理想電容。這里信號頻率2.5G,通道長度4000mil,AC耦合電容的位置分別在距離發送端和接收端200mil的位置。我們看一下仿真出的眼圖的變化。

高速電路設計中耦合電容的重要性2.jpg

    圖2:AC耦合電容靠近發送端的眼圖

高速電路設計中耦合電容的重要性3.jpg

    圖3:AC耦合電容靠近接收端的眼圖


顯然,這顆AC耦合電容靠近接收端的時候信號的完整性要好于放在發送端。我的理解是這樣的,非理想電容器阻抗不連續,信號經過通道衰減后反射的能量會小于直接反射的能量,所以絕大多數串行鏈路要求這顆AC耦合電容放在接收端。但也有例外,筆者之前做板對板連接時遇到過這個問題,查PCIE規范發現如果是兩個板通常放置在發送端上,此時還利用到了AC耦合電容的另外一個作用——過壓保護。比如說SATA,所以通常要求靠近連接器放置。

解決了放置的問題,另一個困擾大家的就是容值的選取了。這樣說,我們的整個串行鏈路等效出的電阻R是固定的,那么AC耦合電容C的選取將會關系到時間常數(RC),RC越大,過的直流分量越大,直流壓降越低。既然這樣,AC耦合電容可以無限增大嗎?顯然是不行的。

高速電路設計中耦合電容的重要性4.jpg、

    圖4:AC耦合電容增大后測量到的眼圖

同樣的位置,與圖3相比可以看出增大耦合電容后,眼高變低。原因是“高速”使電容變的不理想。感應電感會產生串聯諧振,容值越大,諧振頻率越低,AC耦合電容在低頻情況下呈感性,因此高頻分量衰減增大,眼高變小,上升沿變緩,相應的JITTER也會增大。通常建議AC耦合電容在0.01uf~0.2uf之間,項目中0.1uf比較常見。推薦使用0402的封裝。

最后,解決了以上兩個問題,再從PCB設計上分析一下這顆電容的優化設計。實際在項目中,與AC耦合電容的位置、容值大小這些可見因素相比,更加難以捉摸的是板材本身(包括焊盤的精度、銅箔的均勻度等)以及焊盤處的寄生電容對信號完整性的影響。我們知道,高頻信號必須沿著有均勻特征阻抗的路徑傳播,如果遇到阻抗失配或者不連續的情況時,部分信號會被反射回發射端,造成信號的衰減,影響信號的完整性。項目中,這種情況通常會出現在焊盤或者是板載連接器處。筆者最初涉及的高速電路設計時,經常遇到這個問題。

解決這個問題要從兩個方面入手。首先在板材的選取上,我們在應用中通常選用高性能的ROGERS板材,羅杰斯的板材在銅箔厚度的控制上非常精確,均勻的銅箔覆蓋大大降低了阻抗的不連續性;然后在消除焊盤處的寄生電容上,業內常見的辦法是在焊盤處做隔層處理(挖空位于焊盤正下方的參考平面區域,在內層創建銅填充),通過增大焊盤與其參考平面(或者是返回路徑)之間的距離,減小電容的不連續性。在筆者的項目中多采用介質均勻、銅箔寬度控制精確的ROGERS板材也有效提高了焊盤的加工精度。

通過仿真對比一下ROGERS板材做精確隔層處理前后的信號完整性。

高速電路設計中耦合電容的重要性5.jpg

圖5:做隔層處理前的TDR

高速電路設計中耦合電容的重要性6.jpg


圖6:做隔層處理后的TDR

圖5圖6對比,發現未處理之前阻抗的跳躍很明顯,隔層處理后的阻抗改善很多,幾乎沒有任何階躍與不連續。

高速電路設計中耦合電容的重要性7.jpg

圖7:做隔層處理前的回波損耗

高速電路設計中耦合電容的重要性8.jpg

          圖8:做隔層處理后的回波損耗

圖7圖8對比,在用ROGERS板材做隔層處理之后,相比未做隔層處理回波損耗下降到-30dB之內,大大降低了回波損耗,保證了信號傳輸的完整。

綜上,想要搞定高頻電路中這顆“致命”的AC耦合電容,不僅要做足電路設計上的功課,同時,選擇性能更好的高頻PCB板材料會讓你事半功倍。

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