Yüksek hızlı diferansiyel arayüzler için AC bağlantı kapasitörleri

AC bağlantı kapasitörlerini (genellikle 0.1 uF civarında) yüksek hızlı (1 ... 5 GHz) diferansiyel seri arabirimlere (Gigabit Ethernet SFP modülleri için SerDes gibi) neden ve nereye koymam gerektiğini açıklayabilir misiniz ?

Okuduğum kadarıyla, kapaklar alıcı pimlerine mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir. Yasal referanslar kabul edilir.

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


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

Şimdiden teşekkür ederim

GÜNCELLEME:

IC üreticisinden bir yanıt aldım ve kapakları vericiye yaklaştırmamı tavsiye etti. Yani gerçek yer, belirli IC'nin nasıl çalıştığına bağlı. Bir süre önce, başka bir üreticiden tamamen zıt bir tavsiye vardı.

Bağlantı kapasitörleri genellikle verici kaynağına yakın yerleştirilir.

Dr. Johnson'la birlikte, mesafeyi bulmamız gerek. Çoğu FR4 tip kartında sinyallerin yayılma hızı yaklaşık c / 2'dir. Bu, iç katmanlar için inç başına yaklaşık 170ps ve dış katmanlar için inç başına 160 ps'ye eşittir.

2.5Gb / sn'de çalışan standart bir arayüz kullanarak, birim aralığı 400ps'dir, bu nedenle buna göre vericiden 200 ps'den daha az uzakta olmalıyız. Bu arayüz bir IC'ye uygulanmışsa, bağ tellerinin bu mesafenin bir parçası olduğunu hatırlamanız gerekir. Aşağıda soruna biraz daha derinlemesine bir bakış verilmiştir.

Uygulamada, bağlantı cihazları verici cihazına mümkün olduğunca yakın yerleştirilir. Bu konum cihaza bağlı olarak doğal olarak değişir.

Şimdi kapasitör. Bu, bu hızlarda bir RLC cihazıdır ve çoğu cihaz, çoklu gigabit uygulamalarında kendi kendine rezonansın çok üzerindedir. Bu, iletim hattından daha yüksek bir önemli empedansa sahip olabileceğiniz anlamına gelir.

Referans için, birkaç cihaz boyutu için öz endüktans: 0402 ~ 0.7nH 0603 ~ 0.9nH 0805 ~ 1.2nH

Yüksek empedanslı cihaz sorunlarını (bağlantı eğitiminin doğası gereği PCI express'te büyük bir sorun) aşmak için bazen parçaların kendi endüktansı önemli ölçüde daha düşük olduğu için ters geometri cihazları deniriz. Ters geometri tam olarak söylediği şeydir: 0402 cihazının kontakları 04 ayrıdır, burada bir 0204 cihazı 02'yi kontaklar arasındaki mesafe olarak kullanır. Bir 0204 kısmı, tipik bir öz endüktans değerine 0.3nH sahiptir, bu da cihazın etkili empedansını önemli ölçüde azaltır.

Şimdi bu süreksizliğe: yansımalar üretecek. Bu yansıma ne kadar uzakta olursa, sinyalin geçiş süresinin 1 / 2'si mesafe dahilinde kaynak üzerindeki etki (ve enerji kaybı, aşağıya bakınız) o kadar büyük olur; bunun ötesinde çok az fark yaratır.

Geçiş süresinin 1 / 2'si veya daha uzak bir mesafede yansıma, yansıma katsayısı denklemi ([Zl-Zs] / [Zl + Zs]) kullanılarak hesaplanabilir. Eğer yansıma etkili yansıma bundan daha düşük olacak şekilde daha yakın üretilirse, yansıma katsayısını etkili bir şekilde düşürdük ve kayıp enerjiyi azalttık. Bilinen herhangi bir yansıma vericiye ne kadar yakın yerleştirilirse, sistem üzerindeki etkisi o kadar az olur. Yüksek hızlı arayüzlere sahip BGA cihazları altındaki koparma yollarının topun olabildiğince yakın olmasının nedeni budur. Her şey yansımaların etkisini azaltmakla ilgilidir.

Örnek olarak, bağlantı kapasitörünü (2.5 Gb / sn bağlantı için) kaynaktan 0,1 inç'e yerleştirirsem, mesafe 17ps'lik bir zamana eşittir. Bu sinyallerin geçiş süresi genellikle 100 pikosaniyeden daha hızlı olmamakla sınırlı olduğundan, yansıma katsayısı% 17'dir. Bu geçiş süresinin 5GHz sinyalleme artefaktlarına eşit olduğunu unutmayın. Cihazı daha uzağa yerleştirirsek (geçiş süresi / 2 sınırının ötesinde) ve 0402 100nH için tipik değerleri kullanırsak, Z (kapak) = 22 ohm, Z (parça) yaklaşık 50 ohm'dur ve bu nedenle bir yansımamız olur. yaklaşık% 40 katsayısı. Cihaz pedleri nedeniyle gerçek yansıma daha kötü olacaktır.

Yüksek hızlı sinyallerinize neden AC kuplaj kapasitörleri eklersiniz? Sadece sinyal bütünlüğüne (?) Zarar verebilecek empedans süreksizlikleri eklerler.

AC kuplajının yüksek hızlı sinyallemede (USB3 / PCIe / DisplayPort / ...) kullanılmasının nedeni, IC üreticilerinin mimarilerine daha iyi uyan farklı güç kaynaklarına sahip olabilmesidir.

Örneğin, HDMI'da 4 diferansiyel çift bulunur. Her sinyal 50 ohm ila 5V arasında sonlandırılır. HDMI ile bir IC tasarlarsanız, 5V beslemeniz de olmalıdır. Bu, ek maliyet ve karmaşıklık katan ciddi bir ağrıdır.

DisplayPort, yüksek hız sinyallerinde AC kaplini kullanır, böylece her IC üreticisi, ihtiyaçlarına en uygun güç kaynağını kullanabilir.

AC kuplajın kendi zorlukları vardır. AC kuplaj kapasitörünün eklediği süreksizliklere ek olarak, DC ofsetinin iletişim başlamadan önce hattan çıkarıldığından emin olmak için genellikle bir çeşit başlatma / dengeleme gerekir (genellikle 0 ve 1'li bir dizi). İletişim başladığında, aynı sayıda 0 ve 1 göndererek hattı dengede tutmaya dikkat edilmelidir. (bkz. 8b / 10b kodlama)

Öncelikle neden AC kuplajını kullanasınız? Gönderen Dr Johnson burada bunları kullanmak isteyebilirsiniz üç yaygın nedenleri şunlardır:

• Farklı anahtarlama eşiklerine sahip mantık ailelerini birbirine bağlarken DC sapma seviyesini değiştirmek için.
• Çıkış sürücülerine zarar vermeden toprağa kısa devre yapılabilen çıkarılabilir bir arabirim sağlamak.
• Diferansiyel sinyal ve transformatör kaplini ile birleştirildiğinde, kutuları iki ürün şasisi arasında DC bağlantısı gerektirmeden bağlamak için.

Orta seçenek, örneğin çıkarılabilir pcie kartları ile bunu yapmamızın ana nedenlerinden biridir.

Şimdi nereye yerleştirilecek. Sinyal hattınıza yerleştirdiğiniz herhangi bir AC kuplaj kapasitörü, daha düşük bir empedans noktası olacaktır ve bu nedenle kaynağa olumsuz bir yansımaya neden olacaktır. Bu yansımanın geri gelip gelmeyeceği ve daha sonra diğer bitlere müdahale edip etmeyeceği, sinyalin hızı ve bu yansıma noktasının vericinizden uzaklığı ile belirlenir.

Yine başka bir Johnson örneğinden , bu ISI'yi önlemek için kapaklarınızı "baud aralığının 1/2 katından daha az" içine koymanız gerektiğini önermektedir. 100ps bit süresine sahip bir 10Gbps serdes bağlantısı örneği göz önüne alındığında, bunun 100 milden daha az bir mesafe vermesini önerir. Ardından, kapaklarınızın parazit kapasitesini ve düşük empedans yansıma noktasını nasıl azaltabileceğinizi açıklar.

Bu düşünme çizgisini, yaklaşık 4 veya 5 inçlik bir zaman süresi olan 667ps'lik bir bit süresi ile 1.5Gbps'ye genişletmek ve bunun 10'unu almak, yaklaşık yarım inçlik bir değer elde etmenizi sağlar. Bu benim için oldukça muhafazakar gözüküyor, ama muhtemelen önemli olan bu. Uygulamada pcie için engelleme kapaklarını doğrudan konektöre koydum ama yine de kapakların yansıma noktasını konektörle topladım.

Sorunuz gerçekten iletim hattı teorisi ve yansımaların nasıl işlediği ile ilgilidir. Bunu okumak, belki bir araca erişiminiz varsa bazı simülasyonlar yapmak veya farklı konumlarda kapaklarla basit bir tahta denemesi, uygulamanız için en iyi yaklaşımı belirlemenize yardımcı olacaktır.

1) İlk önce kapasitörün toplam empedansını formül kullanarak hesaplamalısınız:

ESR ve ESL değerleri üreticiler tarafından sağlanır (veya yalnızca ilgili frekanstaki empedansı bulmak için veri sayfasında bir empedans eğrisi kullanın). İyi bir düşük ESL seramik kapağın 1 GHz'de yaklaşık 0.5 Ohm olabilir.

2) Değer, hattın karakteristik empedansından çok daha küçükse, hatta nereye koyduğunuz önemli değildir: verici veya alıcıda.

Kondansatörü RX yakınında eklerken, empedans küçükse, sonlandırma direnci ile (veya RX'de ne varsa) seri olarak bulunur ve sinyal bütünlüğünü önemli ölçüde etkilememelidir (50 Ohm + 0 Ohm = 50 Ohm).

3) Yansıtılan sinyal iletilen sinyale "ekleneceği için" başlığın ideal konumu TX'tedir. RX'de konumlandırma yapılırken, yansıyan sinyal ISI oluşturan bir sonraki sembole (bir hattın zaman gecikmesine bağlı olarak) eklenebilir.

Bu nedenle, genel olarak, konum gereksinimleri (TX veya RX'te) ilgili frekansa ve bu frekanstaki toplam kapasitör empedansına bağlıdır.

Eğer durumda, Z olabilir değil Z0 çok daha küçük. 1 GHz için endüktif reaktans sadece 6 Ohm civarında olabilir (1 nH ESL, L * 2 * pi * f olduğu varsayılarak). Bu nedenle, bu tür yüksek frekanslar için (1 GHz ve üzeri) kapak, RX yakınında değil, TX yakınında ideal bir şekilde yerleştirilmelidir.

Ancak düşük frekanslar için, kapasitör empedansı ihmal edilebildiğinde (Z0'a göre), kapasitör RX tarafına (bazen uygulamada olduğu gibi) sinyal bütünlüğüne zarar vermeden yerleştirilebilir.

GÜNCELLEME
"Küçük" Z durumunda yukarıdan anlaşılır.

"Büyük" Z durumunda, gelişmiş bir kural şöyle olacaktır:
- bir kaynak sonlandırma için alıcıya bir bağlantı kapasitörü yerleştirin.
- bir yük sonlandırma için vericiye bir kaplin kondansatörü yerleştirin.
- yük kaynağı (ikili) sonlandırma için önemli değil.

Özellikle, kaynak sonlandırma durumunda, vericiye bir ayırma kapasitörü yerleştirilmesi önerisi yanlıştır . Z, Z0 ile seri halinde (eklenmiştir). Yansıtma üzerinde doğrudan olumsuz bir etkisi vardır. Z alıcıdayken (buna yakın olduğu varsayılarak) olumsuz bir etkisi yoktur (bazı büyük yük direncine Z eklenir, Z + sonsuzluk = sonsuzluk).