ตัวเก็บประจุ AC-coupling สำหรับอินเตอร์เฟสเฟืองความเร็วสูง

9

คุณช่วยอธิบายได้หรือไม่ว่าทำไมและที่ฉันควรใส่ตัวเก็บประจุแบบ AC-coupling (โดยปกติประมาณ 0.1uF) บนอินเตอร์เฟสแบบอนุกรมความเร็วสูง (1 ... 5 GHz) (เช่น SerDes สำหรับโมดูล Gigabit Ethernet SFP)

จากสิ่งที่ฉันได้อ่านตัวพิมพ์ใหญ่ควรอยู่ใกล้กับพินตัวรับมากที่สุด ยินดีอ้างอิงใด ๆ ที่ถูกกฎหมาย

[CHIP1 RX+]--||-------------[CHIP2 TX+]
[CHIP1 RX-]--||-------------[CHIP2 TX-]
            0.1uF


[CHIP1 TX+]-------------||--[CHIP2 RX+]
[CHIP1 TX-]-------------||--[CHIP2 RX-]
                       0.1uF

ขอบคุณล่วงหน้า

UPDATE:

ได้รับคำตอบจากผู้ผลิต IC และแนะนำให้ใส่ฝาปิดใกล้กับตัวส่ง ดังนั้นดูเหมือนว่าสถานที่จริงขึ้นอยู่กับการทำงานของ IC เฉพาะ เมื่อไม่นานมานี้มีคำแนะนำที่ตรงข้ามอย่างสมบูรณ์จากผู้ผลิตรายอื่น

serial decoupling-capacitor decoupling

— คอนสแตนติ
แหล่งที่มา

คุณมีเหตุผลใดที่จะเชื่อว่าสิ่งที่คุณอ่านไม่ถูกต้องหรือไม่สมบูรณ์?

— Nick Johnson

สำหรับความเร็วสูงเช่นนี้แผ่นข้อมูลมักจะมีตำแหน่งส่วนประกอบที่แนะนำหรือคำแนะนำในการออกแบบ

— efox29

1

นอกจากนี้หากคุณกำลังรับมือกับความเร็วแบบนี้และคุณไม่แน่ใจเกี่ยวกับตำแหน่งของตัวเก็บประจุฉันคิดว่าคุณมีปัญหาเพิ่มขึ้นต่อไป ที่ความเร็วเหล่านี้ (และเพื่อให้บรรลุความเร็วเหล่านี้) มีสิ่งอื่น ๆ อีกมากที่จะเข้าสู่การออกแบบ (การจัดวางส่วนประกอบขนาดบอร์ดสแต็คบอร์ดอิมพีแดนซ์ pdn)

— efox29

2

นี่คือตัวเก็บประจุแบบ AC Coupling เพื่อกำจัดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างชิปที่แตกต่างกัน ...

— user19579

3

โดยทั่วไปคุณสามารถวางไว้ใกล้กับเครื่องรับหรือใกล้กับเครื่องส่งสัญญาณ การวางพวกเขาไว้ตรงกลางมีแนวโน้มที่จะเลอะสิ่งต่าง ๆ มากขึ้นเนื่องจากการสะท้อนหลายครั้ง AFAIK ไม่มีเหตุผลที่จะชอบวางไว้ที่ปลายด้านหนึ่งหรืออีกด้านหนึ่ง

— โฟตอน

8

ตัวเก็บประจุคลัปปลิ้งมักจะอยู่ใกล้กับแหล่งส่งสัญญาณ

การไปกับดร. จอห์นสันเราต้องหาระยะทาง ความเร็วการแพร่กระจายของสัญญาณในบอร์ดประเภท FR4 ส่วนใหญ่จะประมาณ c / 2 สิ่งนี้เท่ากับประมาณ 170ps ต่อนิ้วสำหรับเลเยอร์ภายในและมากกว่า 160 ps ต่อนิ้วสำหรับเลเยอร์ภายนอก

การใช้อินเทอร์เฟซมาตรฐานทำงานที่ 2.5Gb / วินาทีช่วงเวลาของหน่วยคือ 400ps ดังนั้นตามนั้นเราควรอยู่ห่างจากตัวส่งน้อยกว่า 200 ps หากอินเทอร์เฟซนี้ถูกนำไปใช้ใน IC คุณต้องจำไว้ว่าสายไฟพันธะนั้นเป็นส่วนหนึ่งของระยะทางนี้ ด้านล่างนี้จะดูปัญหาในเชิงลึกมากขึ้นเล็กน้อย

ในทางปฏิบัติอุปกรณ์เชื่อมต่อจะถูกวางให้ใกล้กับอุปกรณ์ส่งสัญญาณมากที่สุด ตำแหน่งนี้แตกต่างกันไปตามอุปกรณ์

ตอนนี้ตัวเก็บประจุ นี่เป็นอุปกรณ์ RLC ที่ความเร็วเหล่านี้และอุปกรณ์ส่วนใหญ่เหนือกว่าการสั่นพ้องด้วยตนเองในแอพพลิเคชั่นมัลติกิกะบิต ซึ่งหมายความว่าคุณอาจมีความต้านทานที่สำคัญซึ่งสูงกว่าสายส่ง

สำหรับการอ้างอิงการเหนี่ยวนำด้วยตนเองสำหรับอุปกรณ์บางขนาด: 0402 ~ 0.7nH 0603 ~ 0.9nH 0805 ~ 1.2nH

เพื่อแก้ไขปัญหาอุปกรณ์อิมพีแดนซ์สูง (ปัญหาสำคัญใน PCI Express เนื่องจากลักษณะของการฝึกเชื่อมโยง) บางครั้งเราใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าเรขาคณิตย้อนกลับเพราะการเหนี่ยวนำตัวเองของชิ้นส่วนนั้นต่ำกว่ามาก เรขาคณิตย้อนกลับเป็นสิ่งที่กล่าวไว้: อุปกรณ์ 0402 มีรายชื่อ 04 แยกจากกันโดยที่อุปกรณ์ 0204 ใช้ 02 เป็นระยะห่างระหว่างผู้ติดต่อ ส่วน 0204 มีค่าการเหนี่ยวนำด้วยตนเองโดยทั่วไปที่ 0.3nH ช่วยลดความต้านทานของอุปกรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ตอนนี้ความไม่ต่อเนื่อง: มันจะสร้างภาพสะท้อน ยิ่งห่างไกลจากการสะท้อนแสงยิ่งส่งผลกระทบต่อแหล่งกำเนิด (และการสูญเสียพลังงานดูด้านล่าง) มากขึ้นในช่วงระยะทาง 1/2 ของช่วงการเปลี่ยนภาพของสัญญาณ เกินกว่าที่สร้างความแตกต่างเล็กน้อย

ที่ระยะทาง 1/2 ระยะเวลาการเปลี่ยนภาพหรือไกลจากแหล่งกำเนิดแสงสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการสัมประสิทธิ์การสะท้อน ([Zl - Zs] / [Zl + Zs]) หากการสะท้อนนั้นเกิดขึ้นใกล้เคียงกับการสะท้อนที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่านี้เราได้ลดสัมประสิทธิ์การสะท้อนอย่างมีประสิทธิภาพและลดพลังงานที่สูญเสียไป ยิ่งการสะท้อนใด ๆ ที่รู้จักนั้นใกล้เคียงกับตัวส่งสัญญาณมากเท่าใดก็จะส่งผลกระทบต่อระบบน้อยลงเท่านั้น นี่คือเหตุผลที่ทำให้เกิดจุดแตกหักภายใต้อุปกรณ์ BGA ที่มีอินเทอร์เฟซความเร็วสูงจะทำใกล้กับลูกบอลมากที่สุด มันคือทั้งหมดที่เกี่ยวกับการลดผลกระทบของการสะท้อนกลับ

ตัวอย่างเช่นถ้าฉันวางตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้ง (สำหรับลิงก์ 2.5Gb / วินาที) ที่ 0.1 นิ้วจากแหล่งที่มาระยะทางจะเท่ากับเวลา 17ps เนื่องจากเวลาการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณเหล่านี้มักจะ จำกัด ไม่เกิน 100 picoseconds ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนจึงเป็น 17% โปรดทราบว่าเวลาการเปลี่ยนแปลงนี้เท่ากับ 5GHz สัญญาณการส่งสัญญาณ หากเราวางอุปกรณ์ให้ไกลออกไป (เกินเวลาเปลี่ยน / จำกัด 2 ครั้ง) และใช้ค่าทั่วไปสำหรับ 0402 100nH เรามี Z (cap) = 22 โอห์ม, Z (แทร็ก) ประมาณ 50 โอห์มและเราจึงมีการสะท้อนกลับ ค่าสัมประสิทธิ์ประมาณ 40% การสะท้อนที่เกิดขึ้นจริงจะแย่ลงเนื่องจากแผ่นอุปกรณ์

— ปีเตอร์สมิ ธ
แหล่งที่มา

ปีเตอร์ก่อนอื่นขอบคุณสำหรับการตอบกลับ! เท่าที่ฉันเข้าใจการวางฝาครอบไว้ใกล้กับ TX ลดผลกระทบจากการสะท้อนเนื่องจากตัวเก็บประจุไม่ใช่อุปกรณ์ในอุดมคติที่ความถี่เหล่านี้ มันเป็นความจริงสำหรับการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของตัวเก็บประจุ (เช่นในคำถามของฉัน)? เหตุใดเราจึงต้องการตัวเก็บประจุแบบอนุกรมเหล่านี้หากไอซีทั้งสองมีพื้นดินแหล่งพลังงานเดียวกัน

— Konstantin

สวัสดี Konstantin ทั้งคู่ไม่มีอะไรเหมือนกัน

— Peter Smith

เพื่อแก้ไขความคิดเห็นนั้น ที่ความเร็วการเปลี่ยนภาพ (สิ่งประดิษฐ์ 5GHz) กราวด์ที่มีประสิทธิภาพที่ต้นทางและปลายทางไม่เหมือนกัน (กราวด์เป็นองค์ประกอบการกระจายที่ความเร็วเหล่านี้) นอกจากนี้ยังมีข้อเท็จจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปของเอาต์พุตที่ตัวส่งอาจไม่อยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ที่ตัวรับ

— ปีเตอร์สมิ ธ

4

ก่อนอื่นคุณจะใช้ AC คัปปลิ้งทำไม? จากDr Johnson ต่อไปนี้เป็นสาเหตุทั่วไปสามประการที่คุณอาจต้องการใช้:

ในการเปลี่ยนระดับ DC bias เมื่อทำการเชื่อมต่อระหว่างตระกูลลอจิกกับเกณฑ์การเปลี่ยนที่แตกต่างกัน
เพื่อจัดเตรียมส่วนต่อประสานที่ถอดออกได้ซึ่งอาจย่อให้กราวด์โดยไม่ทำให้ไดรเวอร์เอาต์พุตเสียหาย
เมื่อรวมกับการส่งสัญญาณที่แตกต่างและการเชื่อมต่อหม้อแปลงเพื่อเชื่อมต่อกล่องโดยไม่จำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อ DC ระหว่างแชสซีผลิตภัณฑ์ทั้งสอง

ตัวเลือกตรงกลางเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่เราทำเช่นนี้กับการ์ด pcie แบบถอดได้

ตอนนี้สถานที่ที่จะวาง ตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้ง AC ใด ๆ ที่คุณวางไว้ในสายสัญญาณของคุณจะเป็นจุดอิมพีแดนซ์ที่ต่ำกว่าและจะทำให้เกิดการสะท้อนกลับเชิงลบไปยังแหล่งกำเนิด ไม่ว่าการสะท้อนกลับนี้จะกลับมาหรือไม่ก็ตามและรบกวนบิตอื่น ๆ ด้วยความเร็วของสัญญาณของคุณและระยะทางของจุดสะท้อนนี้จากตัวส่งสัญญาณของคุณ

อีกครั้งจากตัวอย่างจอห์นสันอีกครั้งเขาแนะนำว่าเพื่อหลีกเลี่ยง ISI นี้คุณควรวางตัวพิมพ์ใหญ่ของคุณใน "น้อยกว่า 1/2 ช่วงเวลารับส่งข้อมูล" จากตัวอย่างของลิงค์ 10Gbps ที่มีเวลา 100ps เขาแนะนำว่าจะให้ระยะทางน้อยกว่า 100mils จากนั้นเขาก็อธิบายเพิ่มเติมว่าคุณจะลดความสามารถของกาฝากของแคปและจุดสะท้อนความต้านทานต่ำได้อย่างไร

ขยายแนวความคิดนี้เป็น 1.5Gbps ด้วยเวลาบิต 667ps นั่นคือเวลาบิตประมาณ 4 หรือ 5 นิ้วและการถ่ายภาพที่ 10 ของที่ทำให้คุณประมาณครึ่งนิ้ว นั่นดูเหมือนจะค่อนข้างอนุรักษ์นิยมสำหรับฉัน แต่อาจเป็นประเด็น ในทางปฏิบัติฉันได้ใส่ฝาปิดกั้นสำหรับ pcie ลงบนตัวเชื่อมต่อ แต่อีกครั้งฉันจะจับจุดสะท้อนของฝาปิดด้วยตัวเชื่อมต่อ

คำถามของคุณเกี่ยวข้องกับทฤษฎีสายส่งจริง ๆ และวิธีการทำงานของภาพสะท้อน อ่านข้อมูลเกี่ยวกับเรื่องนั้นหรืออาจจำลองสถานการณ์บางอย่างหากคุณมีเครื่องมือหรือการทดสอบบอร์ดอย่างง่าย ๆ ด้วยตัวพิมพ์ใหญ่ที่ตำแหน่งต่างๆควรช่วยคุณกำหนดแนวทางที่ดีที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันของคุณ

— ฮาร์ดแวร์บางคน
แหล่งที่มา

ฉันเห็นด้วยกับเหตุผลของดร. จอห์นสัน แต่ฉันไม่เห็นด้วยกับข้อสรุปของคุณเกี่ยวกับทฤษฎีการส่งผ่าน จำความต้านทานของตัวเก็บประจุ (Zc) ได้ที่ 1 / jwC ที่ 10GHz ฝาครอบ 0.1 ยูเอฟมีความต้านทาน 1 โอห์ม สำหรับสัญญาณ 50, 100 หรือ 85 โอห์มนั้นไม่มีนัยสำคัญพอสมควร คุณจะได้รับการเปลี่ยนแปลงความต้านทานมากขึ้นจากการเลือกวัสดุและการเชื่อมต่อ ยิ่งไปกว่านั้นอิมพีแดนซ์นั้นจะลดลงเพื่อความกลมกลืนของคำสั่งที่สูงขึ้นเท่านั้น ด้วยเหตุนี้เราชอบตัวต้านทานสำหรับการควบคุมการเลิกจ้างแบบดิจิทัล ไม่ใช่ตัวเก็บประจุ

— lm317

ใช่ ... แต่คุณสามารถใช้ตัวต้านทานเพื่อบล็อก dc ได้หรือไม่ นั่นคือประเด็นของวิธีการนี้ไม่ได้อยู่ในนั้นเพื่อทำหน้าที่เป็นรูปแบบการเลิกจ้าง

— ฮาร์ดแวร์บางตัว Guy

จุดของฉันในการบอกว่าเรียนรู้เกี่ยวกับการทำงานของสายการเปลี่ยนภาพนั้นเป็นอย่างไรถ้า op เข้าใจว่าความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ก่อให้เกิดการสะท้อนเช่นนั้นพวกเขาจะเข้าใจได้ง่ายขึ้นว่าทำไมคุณควรใส่ตัวพิมพ์ใหญ่นี้

— ฮาร์ดแวร์บางอย่าง Guy

เราอาจโต้เถียงในประเด็นเดียวกัน ฉันไม่แน่ใจ. ฉันคิดว่าเราทั้งคู่เห็นพ้องกันว่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุมีวัตถุประสงค์ของตัวเองและไม่ได้แทนที่ทั้งสอง ที่กล่าวว่าเพราะฉันคิดว่าตัวเก็บประจุมีผลกระทบการสะท้อนเล็กน้อยตำแหน่งของพวกเขาในบรรทัดไม่สำคัญ

— lm317

1

อาใช่บางทีนั่นอาจเป็นสิ่งที่เราไม่เห็นด้วยขึ้นอยู่กับความเร็วของคุณ โปรดจำไว้ว่ามันไม่ได้เป็นตัวเก็บประจุที่เหมาะ แต่เป็นโครงสร้างทางกายภาพบนบอร์ดและมันมีแผ่นยึดที่มีความสามารถกาฝากกับระนาบอ้างอิงและความต้านทานต่ำกว่ารอยที่พวกเขาเชื่อมต่อ ฝาปิดทางกายภาพเองก็มีองค์ประกอบต้านทานและอุปนัยเล็กน้อยเช่นกันจากโครงสร้างทางกายภาพและการติดตั้งมิฉะนั้นพล็อตของความต้านทานแคปจะไม่ดูเหมือน V.

— ฮาร์ดแวร์บางคนที่

4

ทำไมคุณถึงเพิ่มตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้ง AC เข้ากับสัญญาณความเร็วสูงของคุณ? พวกเขาเพิ่มความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ซึ่งสามารถทำลายความสมบูรณ์ของสัญญาณ (?) เท่านั้น

เหตุผลที่การเชื่อมต่อ AC ใช้ในการส่งสัญญาณความเร็วสูง (USB3 / PCIe / DisplayPort / ... ) เพื่อให้ผู้ผลิต IC สามารถมีแหล่งจ่ายไฟที่แตกต่างกันซึ่งเหมาะสมกับสถาปัตยกรรมของพวกเขามากขึ้น

ตัวอย่างเช่น HDMI มี 4 คู่ที่ต่างกัน แต่ละสัญญาณถูกยกเลิกด้วย 50 โอห์มถึง 5V หากคุณออกแบบ IC พร้อม HDMI คุณต้องมีอุปกรณ์จ่ายไฟ 5V นี่คือความเจ็บปวดที่ร้ายแรงซึ่งเพิ่มค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนเพิ่มเติม

DisplayPort ใช้การเชื่อมต่อ AC กับสัญญาณความเร็วสูงเพื่อให้ผู้ผลิต IC แต่ละรายสามารถใช้แหล่งจ่ายไฟที่ตรงกับความต้องการมากที่สุด

การมีเพศสัมพันธ์ AC มีชุดของความท้าทาย นอกเหนือจากความไม่ต่อเนื่องที่ตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้ง AC เพิ่มแล้วมักจะมีการกำหนดค่าเริ่มต้น / การปรับสมดุลบางอย่าง (โดยปกติจะเป็นสตริง 0 และ 1) เพื่อให้แน่ใจว่า DC ออฟเซ็ตถูกลบออกจากบรรทัดก่อนการสื่อสาร เมื่อการสื่อสารเริ่มต้นจะต้องระมัดระวังเพื่อรักษาความสมดุลของเส้นโดยการส่งหมายเลข 0 และ 1 เท่ากัน (ดูการเข้ารหัส 8b / 10b)

— aobrien
แหล่งที่มา

3

1) คุณควรคำนวณความต้านทานทั้งหมดของตัวเก็บประจุโดยใช้สูตร:

ผู้ผลิตจัดทำค่า ESR และ ESL (หรือใช้เส้นโค้งความต้านทานในแผ่นข้อมูลเพื่อค้นหาความต้านทานที่ความถี่ที่น่าสนใจ) ฝาเซรามิกต่ำ ESL ที่ดีอาจมีประมาณ 0.5 โอห์มที่ 1 GHz

2) หากค่ามีขนาดเล็กลงมากจากนั้นความต้านทานลักษณะของสายมันไม่สำคัญว่าคุณจะวางที่บรรทัด: ที่เครื่องส่งสัญญาณหรือตัวรับสัญญาณ

เมื่อเพิ่มตัวเก็บประจุใกล้กับ RX หากอิมพีแดนซ์มีขนาดเล็กมันจะอยู่ในอนุกรมที่มีตัวต้านทานสิ้นสุด (หรืออะไรก็ตามที่อยู่ที่ RX) และไม่ควรส่งผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ (50 Ohm + 0 Ohm = 50 Ohm)

3) ตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดของฝาปิดอยู่ที่ TX เนื่องจากสัญญาณสะท้อนจะ "เพิ่ม" สัญญาณที่ส่ง ในกรณีที่มีการจัดตำแหน่งที่ RX สัญญาณที่สะท้อนอาจรวมกันเป็นสัญลักษณ์ถัดไป (ขึ้นอยู่กับการหน่วงเวลาของบรรทัด) สร้าง ISI

ดังนั้นโดยทั่วไปข้อกำหนดตำแหน่ง (ที่ TX หรือ RX) ขึ้นอยู่กับความถี่ของดอกเบี้ยและอิมพิแดนซ์ตัวเก็บประจุทั้งหมดที่ความถี่นั้น

ในกรณีของคุณ Z สามารถมีขนาดเล็กกว่า Z0 ไม่มาก สำหรับ 1 GHz ปฏิกิริยารีแอคทีฟเพียงประมาณ 6 โอห์ม (สมมติว่า 1 nH ESL, L * 2 * pi * f) ดังนั้นสำหรับความถี่สูง (1 GHz และสูงกว่า) หมวกควรอยู่ใกล้กับ TX ไม่ใกล้ RX

แต่สำหรับความถี่ที่ต่ำกว่าเมื่อความต้านทานของตัวเก็บประจุสามารถถูกละเลย (เทียบกับ Z0) ตัวเก็บประจุอาจถูกใส่ที่ด้าน RX (เช่นเดียวกับในทางปฏิบัติในบางครั้ง) โดยไม่มีความเสียหายต่อสัญญาณสมบูรณ์

UPDATE
สำหรับกรณีของ "เล็ก" Z ชัดเจนจากด้านบน

สำหรับกรณีของ "ใหญ่" Z กฎที่ได้รับการปรับปรุงจะเป็นดังนี้:
- สำหรับการยกเลิกต้นทางวางตัวเก็บประจุตัวเก็บประจุไว้ที่ตัวรับ
- สำหรับการยกเลิกโหลดให้เก็บประจุตัวเก็บประจุไว้ที่ตัวส่งสัญญาณ
- สำหรับการยกเลิกโหลดซอร์ส (คู่) มันไม่สำคัญ

โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของการสิ้นสุดแหล่งที่มาให้คำแนะนำที่จะวางประจุ decoupling ที่ส่งสัญญาณเป็นผิด Z อยู่ในอนุกรมกับ Z0 (เพิ่มเข้าไปแล้ว) มีผลกระทบทางลบโดยตรงต่อการสะท้อนกลับ ในขณะที่ถ้า Z อยู่ที่เครื่องรับ (สมมติว่าอยู่ใกล้กับมัน) จะไม่มีผลกระทบเชิงลบ (Z ถูกเพิ่มเข้ากับความต้านทานโหลดขนาดใหญ่ Z + infinity = infinity)

— Sergei Gorbikov
แหล่งที่มา