詳細解析高速電路設計中耦合電容的重要性

詳細解析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(yōu)化好將是“致命”的。下面筆者依據(jù)之前的項目經(jīng)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。I』tnctiI』tnctiPORT1psegmentAC耦合電容PORT2segment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(xù)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(fā)送端和接收端200mil的位置。我們看一下仿真出的眼圖的變化。圖2：AC耦合電容靠近發(fā)送端的眼圖圖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(fā)送端。我的理解是這樣的，非理想電容器阻抗不連續(xù)，信號經(jīng)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(shù)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(guī)范發(fā)現(xiàn)如果是兩個板通常放置在發(fā)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(shù)(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。

/eu?f厚gQR7 /eu?f厚gQR7 7f口口反：1匚圖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(chǎn)生串聯(lián)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(yōu)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(xù)的情況時，部分信號會被反射回發(fā)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(xiàn)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(jīng)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(xù)性;然后在消除焊盤處的寄生電容上，業(yè)內(nèi)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(qū)域，在內(nèi)層創(chuàng)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(xù)性。在筆者的項目中多采用介質(zhì)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。A:CKannels：G4D2WoC^DutSirridaiizrilPA<IJ1- -得胃2郢圖5：做隔層處理前的TDR戶,匚除「門可工Q4￡Q_L戶,匚除「門可工Q4￡Q_L:jlaiASnrjtaliEfi1 阿J廣 一取丸50■乙卬同55■圖6：做隔層處理后的TDR圖5圖6對比，發(fā)現(xiàn)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(xù)。

圖7：做隔層處理前的回波損耗ADidrnrl5.D4Jl?CjujI.E曲用口八4)AS[B,1]7?即游耳圖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