Kapasitor kopling AC untuk antarmuka diferensial berkecepatan tinggi

Bisakah Anda jelaskan mengapa dan di mana saya harus meletakkan kapasitor AC-coupling (biasanya sekitar 0,1 uF) pada antarmuka serial diferensial berkecepatan tinggi (1 ... 5 GHz) (seperti SerDes untuk modul SFP Gigabit Ethernet)?

Dari apa yang saya baca, tutupnya harus ditempatkan sedekat mungkin dengan pin penerima. Referensi yang sah dipersilakan.

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


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

Terima kasih sebelumnya

MEMPERBARUI:

Mendapat balasan dari pabrikan IC dan menyarankan saya untuk meletakkan tutup lebih dekat ke pemancar. Jadi sepertinya tempat sebenarnya tergantung pada cara kerja IC tersebut. Beberapa waktu yang lalu, ada saran yang sangat berlawanan dari produsen lain.

Kapasitor kopling biasanya ditempatkan dekat dengan sumber pemancar.

Bersama dengan Dr. Johnson, kita harus mencari tahu jaraknya. Kecepatan rambat sinyal pada kebanyakan jenis papan FR4 adalah sekitar c / 2. Ini setara dengan sekitar 170ps per inci untuk lapisan internal dan lebih seperti 160 ps per inci untuk lapisan eksternal.

Menggunakan antarmuka standar yang berjalan pada 2.5Gb / detik, interval unit adalah 400ps, jadi menurut itu, kita harus berada jauh lebih sedikit dari 200 ps dari pemancar. Jika antarmuka ini telah diimplementasikan dalam IC, maka Anda harus ingat bahwa kabel ikatan adalah bagian dari jarak ini. Di bawah ini adalah pandangan yang sedikit lebih mendalam tentang masalah ini.

Dalam praktiknya, perangkat kopling ditempatkan sedekat mungkin dengan perangkat pemancar. Lokasi ini bervariasi tergantung pada perangkat.

Sekarang kapasitor. Ini adalah perangkat RLC pada kecepatan ini, dan sebagian besar perangkat jauh di atas resonansi diri dalam aplikasi multi-gigabit. Ini berarti Anda mungkin memiliki impedansi signifikan yang lebih tinggi daripada saluran transmisi.

Untuk referensi, induktansi mandiri untuk beberapa ukuran perangkat: 0402 ~ 0.7nH 0603 ~ 0.9nH 0805 ~ 1.2nH

Untuk mengatasi masalah perangkat impedansi tinggi (masalah utama dalam PCI express karena sifat pelatihan tautan), kami terkadang menggunakan perangkat yang disebut perangkat geometri terbalik karena induktansi diri komponen secara signifikan lebih rendah. Reverse geometry adalah apa yang dikatakannya: Perangkat 0402 memiliki kontak 04 terpisah, di mana perangkat 0204 menggunakan 02 sebagai jarak antara kontak. Bagian 0204 memiliki nilai induktansi diri khas 0,3nH, secara signifikan mengurangi impedansi efektif perangkat.

Sekarang untuk diskontinuitas itu: itu akan menghasilkan refleksi. Semakin jauh pantulan itu, semakin besar dampak pada sumber (dan kehilangan energi, lihat di bawah) dalam kisaran jarak 1/2 dari waktu transisi sinyal; di luar itu hanya ada sedikit perbedaan.

Pada jarak 1/2 waktu transisi atau lebih jauh dari sumber, refleksi dapat dihitung menggunakan persamaan koefisien refleksi ([Zl - Zs] / [Zl + Zs]). Jika refleksi dihasilkan lebih dekat sehingga refleksi efektif lebih rendah dari ini, kami telah secara efektif mengurangi koefisien refleksi dan mengurangi energi yang hilang. Semakin dekat refleksi yang diketahui dapat ditempatkan sehubungan dengan pemancar, semakin sedikit efek pada sistem yang dimilikinya. Ini adalah alasan bahwa break-out vias di bawah perangkat BGA dengan antarmuka kecepatan tinggi dilakukan sedekat mungkin dengan bola. Ini semua tentang mengurangi efek refleksi.

Sebagai contoh, jika saya menempatkan kapasitor kopling (untuk tautan 2.5Gb / detik) pada 0,1 inci dari sumbernya, maka jaraknya sama dengan waktu 17ps. Karena waktu transisi dari sinyal-sinyal ini biasanya dibatasi tidak lebih cepat dari 100 picoseconds, maka koefisien pantulannya adalah 17%. Perhatikan bahwa waktu transisi ini sama dengan artefak pensinyalan 5GHz. Jika kita menempatkan perangkat lebih jauh (melampaui batas waktu transisi / 2), dan menggunakan nilai-nilai khas untuk 0402 100nH, kita memiliki Z (batas) = ​​22 ohm, Z (lacak) sekitar 50 ohm, dan oleh karena itu kami memiliki pantulan Koefisien sekitar 40%. Refleksi yang sebenarnya akan lebih buruk karena bantalan perangkat.

Pertama mengapa Anda menggunakan kopling AC? Dari Dr Johnson, berikut adalah tiga alasan umum Anda mungkin ingin menggunakannya:

• Untuk mengubah level bias DC ketika menghubungkan kelompok logika dengan ambang switching yang berbeda.
• Untuk menyediakan antarmuka yang dapat dilepas yang mungkin disingkat menjadi ground tanpa merusak driver output.
• Ketika dikombinasikan dengan pensinyalan diferensial dan kopling transformator, untuk menghubungkan kotak tanpa memerlukan koneksi DC antara kedua sasis produk.

Opsi tengah adalah salah satu alasan utama kami melakukan ini dengan kartu pcie yang dapat dilepas misalnya.

Sekarang ke mana harus pergi. Setiap kapasitor kopling AC yang Anda tempatkan di jalur sinyal Anda akan menjadi titik impedansi yang lebih rendah dan karenanya akan menyebabkan refleksi negatif kembali ke sumbernya. Apakah pantulan ini akan kembali dan kemudian mengganggu bit lain ditentukan oleh kecepatan sinyal Anda dan jarak titik pantulan ini dari pemancar Anda.

Sekali lagi dari contoh Johnson lainnya ia menyarankan bahwa untuk menghindari ISI ini Anda harus menempatkan topi Anda dalam "kurang dari 1/2 interval baud". Diberikan contoh tautan serdes 10Gbps dengan sedikit waktu 100ps, ia menyarankan agar memberikan jarak kurang dari 100 mil. Kemudian dia menjelaskan lebih lanjut bagaimana Anda dapat mengurangi kapasitansi parasit dari topi Anda dan titik pantulan impedansinya yang rendah.

Memperpanjang garis pemikiran ini menjadi 1.5Gbps dengan waktu 667ps yang berarti waktu sekitar 4 atau 5 inci dan mengambil yang ke 10 membuat Anda sekitar setengah inci. Bagi saya itu agak konservatif, tetapi mungkin itulah intinya. Dalam prakteknya saya telah menempatkan topi pemblokir untuk pcie tepat pada konektor tetapi sekali lagi saya kemudian menggumpalkan titik refleksi dari tutup dengan konektor.

Pertanyaan Anda benar-benar terkait dengan teori saluran transmisi dan bagaimana refleksi bekerja. Membaca itu, mungkin melakukan beberapa simulasi jika Anda memiliki akses ke alat, atau percobaan papan sederhana dengan tutup di lokasi yang berbeda akan membantu Anda menentukan pendekatan terbaik untuk aplikasi Anda.

Mengapa Anda menambahkan kapasitor kopling AC ke sinyal kecepatan tinggi Anda? Mereka menambahkan diskontinuitas impedansi yang hanya dapat merusak integritas sinyal (?).

ALASAN bahwa kopling AC digunakan dalam pensinyalan berkecepatan tinggi (USB3 / PCIe / DisplayPort / ...) adalah agar produsen IC dapat memiliki catu daya berbeda yang lebih sesuai dengan arsitekturnya.

Misalnya, HDMI memiliki 4 pasangan diferensial. Setiap sinyal diakhiri dengan 50 ohm hingga 5V. Jika Anda mendesain IC dengan HDMI, maka Anda juga harus memiliki persediaan 5V. Ini adalah rasa sakit serius yang menambah biaya dan kompleksitas tambahan.

DisplayPort menggunakan kopling AC pada sinyal kecepatan tinggi sehingga setiap produsen IC dapat menggunakan catu daya apa pun yang paling sesuai dengan kebutuhan mereka.

AC coupling memiliki tantangan tersendiri. Selain diskontinuitas yang ditambahkan kapasitor kopling AC, biasanya ada semacam inisialisasi / penyeimbangan yang diperlukan (biasanya string 0 dan 1) untuk memastikan bahwa offset DC dilepas dari saluran sebelum komunikasi dimulai. Setelah komunikasi dimulai, perawatan harus dilakukan untuk menjaga saluran tetap seimbang dengan mengirimkan nomor 0 dan 1 yang sama. (lihat penyandian 8b / 10b)

1) Anda harus terlebih dahulu menghitung total impedansi kapasitor menggunakan rumus:

Nilai ESR dan ESL disediakan oleh produsen (atau cukup gunakan kurva impedansi dalam lembar data untuk menemukan impedansi pada frekuensi yang menarik). Tutup keramik ESL rendah yang baik mungkin memiliki sekitar 0,5 Ohm pada 1 GHz.

2) Jika nilainya jauh lebih kecil dari impedansi karakteristik saluran, tidak masalah di mana Anda meletakkannya di saluran: di pemancar atau penerima.

Saat menambahkan kapasitor di dekat RX, jika impedansinya kecil, seri dengan resistor terminating (atau apa pun yang ada di RX) dan tidak boleh secara material mempengaruhi integritas sinyal (50 Ohm + 0 Ohm = 50 Ohm).

3) Lokasi tutup yang ideal adalah pada TX, karena sinyal yang dipantulkan akan "bertambah" ke sinyal yang ditransmisikan. Sementara dalam hal penentuan posisi di RX, sinyal yang dipantulkan dapat menambahkan simbol berikutnya (tergantung pada waktu tunda baris) yang menciptakan ISI.

Jadi, secara umum, persyaratan posisi (pada TX atau RX) tergantung pada frekuensi bunga dan total impedansi kapasitor pada frekuensi tersebut.

Dalam kasus Anda, Z bisa tidak lebih kecil dari Z0. Untuk 1 GHz, reaktansi induktif hanya mungkin sekitar 6 Ohm (dengan asumsi 1 nH ESL, L * 2 * pi * f). Jadi, untuk frekuensi tinggi (1 GHz ke atas) tutupnya idealnya terletak di dekat TX, bukan di dekat RX.

Tetapi untuk frekuensi yang lebih rendah, ketika impedansi kapasitor dapat diabaikan (relatif terhadap Z0), kapasitor dapat diletakkan di sisi RX (seperti yang kadang-kadang dilakukan dalam praktik) tanpa kerusakan material pada integritas sinyal.

UPDATE
Untuk kasus "kecil" Z jelas dari atas.

Untuk kasus Z "besar", aturan yang ditingkatkan adalah:
- untuk sumber terminasi, pasang kapasitor kopling pada penerima.
- untuk terminasi beban, pasang kapasitor kopling pada pemancar.
- untuk pemutusan sumber beban (ganda) tidak masalah.

Khususnya, untuk kasus penghentian sumber, rekomendasi untuk menempatkan kapasitor decoupling pada pemancar salah . Z adalah seri dengan Z0 (ditambahkan ke dalamnya). Ada dampak negatif langsung pada refleksi. Sementara jika Z ada di penerima (dengan asumsi dekat dengan itu), tidak ada efek negatif (Z ditambahkan ke beberapa resistensi beban besar, Z + infinity = infinity).