Wechselstromkopplungskondensatoren für Hochgeschwindigkeits-Differentialschnittstellen

Können Sie mir erklären, warum und wo ich AC-Kopplungskondensatoren (normalerweise um 0,1 uF) an differentielle serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (1 ... 5 GHz) (wie SerDes für Gigabit-Ethernet-SFP-Module) anschließen sollte?

Nach dem, was ich gelesen habe, sollten die Kappen so nah wie möglich an den Empfängerstiften platziert werden. Alle legitimen Referenzen sind willkommen.

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


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

Danke im Voraus

AKTUALISIEREN:

Ich habe eine Antwort vom IC-Hersteller erhalten und es wurde mir empfohlen, die Kappen näher am Sender anzubringen. Es scheint also, dass der tatsächliche Ort davon abhängt, wie der jeweilige IC funktioniert. Vor einiger Zeit gab es einen völlig entgegengesetzten Rat eines anderen Herstellers.

Die Koppelkondensatoren befinden sich normalerweise in der Nähe der Senderquelle.

Zusammen mit Dr. Johnson müssen wir die Entfernung herausfinden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale auf den meisten FR4-Kartentypen beträgt etwa c / 2. Dies entspricht ungefähr 170 ps pro Zoll für interne Schichten und eher 160 ps pro Zoll für externe Schichten.

Bei Verwendung einer Standardschnittstelle mit 2,5 Gbit / s beträgt das Einheitsintervall 400 ps. Demnach sollten wir weniger als 200 ps vom Sender entfernt sein. Wenn diese Schnittstelle in einem IC implementiert wurde, müssen Sie sich daran erinnern, dass die Bonddrähte Teil dieses Abstands sind. Im Folgenden wird das Problem etwas genauer betrachtet.

In der Praxis werden Kopplungsvorrichtungen so nahe wie möglich an der Sendevorrichtung platziert. Dieser Ort variiert natürlich je nach Gerät.

Nun der Kondensator. Dies ist ein RLC-Gerät bei diesen Geschwindigkeiten, und die meisten Geräte liegen in Multi-Gigabit-Anwendungen weit über der Eigenresonanz. Dies bedeutet, dass Sie möglicherweise eine signifikante Impedanz haben, die höher als die Übertragungsleitung ist.

Als Referenz die Selbstinduktivität für einige Gerätegrößen: 0402 ~ 0,7 nH 0603 ~ 0,9 nH 0805 ~ 1,2 nH

Um Probleme mit hochohmigen Geräten zu umgehen (ein Hauptproblem bei PCI Express aufgrund der Art des Verbindungstrainings), verwenden wir manchmal sogenannte Geräte mit umgekehrter Geometrie, da die Selbstinduktivität der Teile erheblich geringer ist. Die umgekehrte Geometrie ist genau das, was es sagt: Bei einem 0402-Gerät sind die Kontakte 04 voneinander getrennt, bei einem 0204-Gerät wird die 02 als Abstand zwischen den Kontakten verwendet. Ein 0204-Teil hat einen typischen Selbstinduktivitätswert von 0,3 nH, wodurch die effektive Impedanz des Geräts erheblich reduziert wird.

Nun zu dieser Diskontinuität: Sie wird Reflexionen erzeugen. Je weiter diese Reflexion entfernt ist, desto größer ist der Einfluss auf die Quelle (und der Energieverlust, siehe unten) innerhalb des Abstandsbereichs von 1/2 der Übergangszeit des Signals; darüber hinaus macht es wenig Unterschied.

In einem Abstand von 1/2 der Übergangszeit oder weiter von der Quelle kann die Reflexion unter Verwendung der Reflexionskoeffizientengleichung ([Zl - Zs] / [Zl + Zs]) berechnet werden. Wenn die Reflexion näher erzeugt wird, so dass die effektive Reflexion geringer als diese ist, haben wir den Reflexionskoeffizienten effektiv reduziert und den Energieverlust verringert. Je näher eine bekannte Reflexion in Bezug auf den Sender liegt, desto geringer ist die Auswirkung auf das System. Dies ist der Grund, warum Breakout-Vias unter BGA-Geräten mit Hochgeschwindigkeitsschnittstellen so nah wie möglich am Ball erfolgen. Es geht darum, die Wirkung von Reflexionen zu reduzieren.

Wenn ich beispielsweise den Kopplungskondensator (für die 2,5-Gbit / s-Verbindung) 0,1 Zoll von der Quelle entfernt platziere, entspricht der Abstand einer Zeit von 17 ps. Da die Übergangszeit dieser Signale normalerweise auf nicht schneller als 100 Pikosekunden begrenzt ist, beträgt der Reflexionskoeffizient daher 17%. Beachten Sie, dass diese Übergangszeit 5-GHz-Signalisierungsartefakten entspricht. Wenn wir das Gerät weiter entfernt platzieren (über die Übergangszeit / 2-Grenze hinaus) und die typischen Werte für 0402 100 nH verwenden, haben wir Z (Kappe) = 22 Ohm, Z (Spur) etwa 50 Ohm und daher eine Reflexion Koeffizient von ca. 40%. Die tatsächliche Reflexion wird aufgrund der Gerätepads schlechter.

Warum sollten Sie zuerst eine Wechselstromkopplung verwenden? Von Dr. Johnson sind hier drei häufige Gründe, warum Sie sie verwenden möchten:

• Ändern des DC-Vorspannungspegels beim Verbinden von Logikfamilien mit unterschiedlichen Schaltschwellen.
• Bereitstellung einer entfernbaren Schnittstelle, die gegen Masse kurzgeschlossen werden kann, ohne die Ausgangstreiber zu beschädigen.
• In Kombination mit Differenzialsignalisierung und Transformatorkopplung zum Anschließen von Boxen, ohne dass eine DC-Verbindung zwischen den beiden Produktchassis erforderlich ist.

Die mittlere Option ist einer der Hauptgründe, warum wir dies beispielsweise mit entfernbaren PCIE-Karten tun.

Nun, wo zu platzieren. Jeder Wechselstromkopplungskondensator, den Sie in Ihre Signalleitung einbauen, weist einen niedrigeren Impedanzpunkt auf und verursacht daher eine negative Reflexion zurück zur Quelle. Ob diese Reflexion zurückkommt und dann andere Bits stört, hängt von der Geschwindigkeit Ihres Signals und der Entfernung dieses Reflexionspunkts von Ihrem Sender ab.

Wieder aus einem anderen Johnson-Beispiel schlägt er vor, dass Sie Ihre Kappen innerhalb von "viel weniger als 1/2 Baud-Intervall" platzieren sollten, um diesen ISI zu vermeiden. Am Beispiel einer 10-Gbit / s-Serdes-Verbindung mit einer Bitzeit von 100 ps schlägt er vor, dass dies eine Entfernung von weniger als 100 Meilen ergeben würde. Anschließend erklärt er weiter, wie Sie die parasitäre Kapazität Ihrer Kappen und ihren Reflexionspunkt mit niedriger Impedanz verringern können.

Wenn Sie diese Denkrichtung auf 1,5 Gbit / s mit einer Bit-Zeit von 667 ps erweitern, entspricht dies einer Bit-Zeit von etwa 4 oder 5 Zoll, und wenn Sie ein Zehntel davon nehmen, erhalten Sie ungefähr einen halben Zoll. Das scheint mir ziemlich konservativ zu sein, aber das ist wahrscheinlich der Punkt. In der Praxis habe ich Blockierkappen für PCIE direkt auf den Stecker gesetzt, aber dann habe ich den Reflexionspunkt der Kappen wieder mit dem Stecker zusammengelegt.

Ihre Frage bezieht sich wirklich auf die Übertragungsleitungstheorie und die Funktionsweise von Reflexionen. Wenn Sie sich darüber informieren, möglicherweise einige Simulationen durchführen, wenn Sie Zugriff auf ein Tool haben, oder ein einfaches Board-Experiment mit Kappen an verschiedenen Stellen durchführen, können Sie den besten Ansatz für Ihre Anwendung ermitteln.

Warum sollten Sie Ihren Hochgeschwindigkeitssignalen Wechselstromkopplungskondensatoren hinzufügen? Sie fügen Impedanzdiskontinuitäten hinzu, die nur die Signalintegrität beeinträchtigen können (?).

Der Grund, warum die Wechselstromkopplung bei Hochgeschwindigkeitssignalen (USB3 / PCIe / DisplayPort / ...) verwendet wird, besteht darin, dass die IC-Hersteller verschiedene Netzteile haben können, die besser zu ihrer Architektur passen.

Zum Beispiel hat HDMI 4 Differenzpaare. Jedes Signal wird mit 50 Ohm bis 5 V abgeschlossen. Wenn Sie einen IC mit HDMI entwerfen, müssen Sie auch über eine 5-V-Versorgung verfügen. Dies ist ein ernstes Problem, das zusätzliche Kosten und Komplexität verursacht.

DisplayPort verwendet eine Wechselstromkopplung für die Hochgeschwindigkeitssignale, sodass jeder IC-Hersteller das Netzteil verwenden kann, das seinen Anforderungen am besten entspricht.

Die Wechselstromkopplung hat ihre eigenen Herausforderungen. Zusätzlich zu den Diskontinuitäten, die der Wechselstromkopplungskondensator hinzufügt, ist normalerweise eine Art Initialisierung / Ausgleich erforderlich (normalerweise eine Folge von Nullen und Einsen), um sicherzustellen, dass der Gleichstromversatz von der Leitung entfernt wird, bevor die Kommunikation beginnt. Sobald die Kommunikation beginnt, muss darauf geachtet werden, dass die Leitung ausgeglichen bleibt, indem die gleiche Anzahl von Nullen und Einsen gesendet wird. (siehe 8b / 10b-Codierung)

1) Sie sollten zuerst die Gesamtimpedanz des Kondensators mit folgender Formel berechnen:

ESR- und ESL-Werte werden von Herstellern bereitgestellt (oder verwenden Sie einfach eine Impedanzkurve in einem Datenblatt, um die Impedanz bei der interessierenden Frequenz zu ermitteln). Eine gute Keramikkappe mit niedrigem ESL-Wert kann bei 1 GHz etwa 0,5 Ohm haben.

2) Wenn der Wert viel kleiner als die charakteristische Impedanz der Leitung ist, spielt es keine Rolle, wo Sie ihn auf die Leitung setzen: am Sender oder am Empfänger.

Wenn der Kondensator in der Nähe von RX hinzugefügt wird und die Impedanz klein ist, liegt er in Reihe mit dem Abschlusswiderstand (oder was auch immer er am RX ist) und sollte die Signalintegrität nicht wesentlich beeinflussen (50 Ohm + 0 Ohm = 50 Ohm).

3) Die ideale Position der Kappe befindet sich am TX, da sich das reflektierte Signal zum übertragenen Signal "addiert". Während der Positionierung am RX kann sich das reflektierte Signal zu einem nächsten Symbol addieren (abhängig von der Zeitverzögerung einer Leitung), das ISI erzeugt.

Im Allgemeinen hängen die Positionsanforderungen (bei TX oder RX) von der interessierenden Frequenz und der Gesamtkondensatorimpedanz bei dieser Frequenz ab.

In Ihrem Fall kann Z nicht viel kleiner als Z0 sein. Für 1 GHz kann die induktive Reaktanz nur etwa 6 Ohm betragen (unter der Annahme von 1 nH ESL, L * 2 * pi * f). Für solch hohe Frequenzen (1 GHz und höher) sollte sich die Kappe idealerweise in der Nähe von TX und nicht in der Nähe von RX befinden.

Bei niedrigeren Frequenzen kann der Kondensator jedoch, wenn die Kondensatorimpedanz vernachlässigt werden kann (relativ zu Z0), auf die RX-Seite gestellt werden (wie dies manchmal in der Praxis der Fall ist), ohne dass die Signalintegrität wesentlich beschädigt wird.

UPDATE
Für den Fall von "kleinem" Z ist es von oben klar.

Für den Fall eines "großen" Z wäre eine erweiterte Regel:
- Platzieren Sie für einen Quellenabschluss einen Koppelkondensator am Empfänger.
- Für einen Lastabschluss einen Koppelkondensator am Sender anbringen.
- Für eine Lastquellen- (Doppel-) Terminierung spielt es keine Rolle.

Insbesondere für den Fall einer Quellenbeendigung ist die Empfehlung, einen Entkopplungskondensator am Sender anzubringen, falsch . Z ist in Reihe mit Z0 (hinzugefügt). Es gibt einen direkten negativen Einfluss auf die Reflexion. Wenn sich Z am Empfänger befindet (vorausgesetzt, er befindet sich in der Nähe davon), gibt es keinen negativen Effekt (Z wird zu einem großen Lastwiderstand hinzugefügt, Z + unendlich = unendlich).