Kondensatory sprzęgające AC do szybkich interfejsów różnicowych

Czy możesz mi wyjaśnić, dlaczego i gdzie mam umieścić kondensatory sprzęgające AC (zwykle około 0,1 uF) na szybkich różnicowych interfejsach szeregowych (1 ... 5 GHz) (takich jak SerDes dla modułów SFP Gigabit Ethernet)?

Z tego, co przeczytałem, czapki powinny być umieszczone jak najbliżej styków odbiornika. Wszelkie uzasadnione referencje są mile widziane.

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


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

Z góry dziękuję

AKTUALIZACJA:

Dostałem odpowiedź od producenta układu scalonego i poradziłem mi, aby umieścić czapki bliżej nadajnika. Wygląda więc na to, że rzeczywiste miejsce zależy od tego, jak działa dany układ scalony. Jakiś czas temu była inna opinia od innego producenta.

Kondensatory sprzęgające są zwykle umieszczone blisko źródła nadajnika.

Wspólnie z dr. Johnsonem musimy ustalić odległość. Prędkość propagacji sygnałów na większości typów kart FR4 wynosi około c / 2. Odpowiada to około 170 ps na cal dla warstw wewnętrznych i więcej jak 160 ps na cal dla warstw zewnętrznych.

Używając standardowego interfejsu działającego z prędkością 2,5 Gb / s, interwał urządzenia wynosi 400ps, więc zgodnie z tym powinniśmy być znacznie mniej niż 200 ps od nadajnika. Jeśli ten interfejs został zaimplementowany w układzie scalonym, musisz pamiętać, że druty łączące są częścią tej odległości. Poniżej znajduje się nieco bardziej dogłębne spojrzenie na problem.

W praktyce urządzenia sprzęgające są umieszczone jak najbliżej urządzenia nadajnika. To położenie różni się naturalnie w zależności od urządzenia.

Teraz kondensator. Jest to urządzenie RLC przy tych prędkościach, a większość urządzeń znacznie przewyższa samorezonans w aplikacjach wielogigabitowych. Oznacza to, że możesz mieć znaczną impedancję wyższą niż linia transmisyjna.

Dla porównania, indukcyjność własna dla kilku rozmiarów urządzeń: 0402 ~ 0,7nH 0603 ~ 0,9nH 0805 ~ 1,2nH

Aby obejść problemy z urządzeniami o wysokiej impedancji (poważny problem w PCI express ze względu na charakter szkolenia linków), czasami używamy tak zwanych urządzeń o odwróconej geometrii, ponieważ indukcyjność części jest znacznie niższa. Odwrotna geometria jest dokładnie taka, jak mówi: urządzenie 0402 ma styki 04 oddzielnie, podczas gdy urządzenie 0204 używa 02 jako odległości między stykami. Część 0204 ma typową wartość indukcyjności 0,3nH, co znacznie zmniejsza efektywną impedancję urządzenia.

Teraz do tej nieciągłości: spowoduje refleksje. Im dalej to odbicie, tym większy wpływ na źródło (i utratę energii, patrz poniżej) w zakresie odległości 1/2 czasu przejścia sygnału; poza tym robi małą różnicę.

W odległości 1/2 czasu przejścia lub dalej od źródła odbicie można obliczyć za pomocą równania współczynnika odbicia ([Zl - Zs] / [Zl + Zs]). Jeśli odbicie jest generowane bliżej tak, że efektywne odbicie jest niższe niż to, skutecznie zmniejszyliśmy współczynnik odbicia i zmniejszyliśmy straty energii. Im bardziej znane odbicie może znajdować się w stosunku do nadajnika, tym mniejszy będzie miał wpływ na system. Z tego powodu przelotki przelotowe pod urządzeniami BGA z szybkimi interfejsami są wykonywane jak najbliżej piłki. Chodzi o zmniejszenie efektu odbić.

Na przykład, jeśli ustawię kondensator sprzęgający (dla łącza 2,5 Gb / s) w odległości 0,1 cala od źródła, odległość równa się czasowi 17 ps. Ponieważ czas przejścia tych sygnałów jest zwykle ograniczony do nie więcej niż 100 pikosekund, współczynnik odbicia wynosi zatem 17%. Należy pamiętać, że ten czas przejścia odpowiada artefaktom sygnalizacyjnym 5 GHz. Jeśli umieścimy urządzenie dalej (poza limit czasu przejścia / 2) i użyjemy typowych wartości dla 0402 100nH, otrzymamy Z (cap) = 22 omy, Z (tor) około 50 omów, a zatem mamy odbicie współczynnik około 40%. Rzeczywiste odbicie będzie gorsze z powodu padów urządzenia.

Po pierwsze, dlaczego miałbyś używać sprzęgła AC? Z dr Johnson oto trzy najczęstsze powody, dla których warto z nich korzystać:

• Aby zmienić poziom polaryzacji prądu stałego podczas łączenia rodzin logicznych o różnych progach przełączania.
• Aby zapewnić wymienny interfejs, który może być zwarty do masy bez uszkodzenia sterowników wyjściowych.
• W połączeniu z sygnalizacją różnicową i złączem transformatora, do łączenia skrzynek bez konieczności podłączania prądu stałego między obudową dwóch produktów.

Środkowa opcja jest jednym z głównych powodów, dla których robimy to na przykład z wymiennymi kartami pcie.

Teraz gdzie umieścić. Dowolny kondensator sprzęgający AC, który umieścisz w linii sygnałowej, będzie miał niższy punkt impedancji i dlatego spowoduje ujemne odbicie z powrotem do źródła. To, czy odbicie to powróci, a następnie zakłóci inne bity, zależy od prędkości sygnału i odległości tego punktu odbicia od nadajnika.

Ponownie z innego przykładu Johnsona sugeruje, że aby uniknąć tego ISI, powinieneś umieszczać swoje limity „w odstępie znacznie mniejszym niż 1/2 baud”. Biorąc pod uwagę przykład łącza Serdes 10 Gb / s z czasem 100ps, sugeruje, że dałoby to odległość mniejszą niż 100 mil. Następnie wyjaśnia, w jaki sposób możesz zmniejszyć pasożytniczą pojemność czapek i ich punkt odbicia o niskiej impedancji.

Poszerzenie tej linii myślenia do 1,5 Gb / s przy odrobinie czasu 667ps, czyli nieco około 4 lub 5 cali, a wzięcie dziesiątej części daje około pół cala. Wydaje mi się to dość konserwatywne, ale chyba o to chodzi. W praktyce położyłem czapki blokujące dla pcie bezpośrednio na złączu, ale znowu zbijam punkt odbicia czapek razem ze złączem.

Twoje pytanie jest naprawdę związane z teorią linii przesyłowej i działaniem odbić. Czytanie na ten temat, być może wykonanie niektórych symulacji, jeśli masz dostęp do narzędzia, lub prosty eksperyment z tablicami z czapkami w różnych lokalizacjach powinien pomóc ci wybrać najlepsze podejście do twojej aplikacji.

Dlaczego miałbyś dodawać kondensatory sprzęgające AC do szybkich sygnałów? Dodają nieciągłości impedancji, które mogą tylko zaszkodzić integralności sygnału (?).

POWÓD, że sprzężenie prądu przemiennego jest używane w szybkiej sygnalizacji (USB3 / PCIe / DisplayPort / ...), jest tak, że producenci układów scalonych mogą mieć różne zasilacze, które lepiej pasują do ich architektury.

Na przykład HDMI ma 4 pary różnicowe. Każdy sygnał jest zakończony 50 omów do 5 V. Jeśli projektujesz układ scalony z HDMI, musisz również mieć zasilanie 5 V. Jest to poważny problem w dupie, który powoduje dodatkowe koszty i złożoność.

DisplayPort wykorzystuje sprzężenie prądu przemiennego do sygnałów wysokiej prędkości, dzięki czemu każdy producent układu scalonego może użyć zasilacza, który najlepiej odpowiada jego potrzebom.

Sprzężenie prądu przemiennego ma swój własny zestaw wyzwań. Oprócz nieciągłości dodawanych przez kondensator sprzęgający prądu zmiennego, zwykle jest wymagany pewien rodzaj inicjalizacji / równoważenia (zwykle ciąg zer i jedynek), aby upewnić się, że przesunięcie prądu stałego zostanie usunięte z linii przed rozpoczęciem komunikacji. Po rozpoczęciu komunikacji należy zachować ostrożność, aby zachować równowagę linii, wysyłając tę ​​samą liczbę zer i jedynek. (patrz kodowanie 8b / 10b)

1) Należy najpierw obliczyć całkowitą impedancję kondensatora za pomocą wzoru:

Wartości ESR i ESL są dostarczane przez producentów (lub po prostu użyj krzywej impedancji w arkuszu danych, aby znaleźć impedancję na częstotliwości zainteresowania). Dobra ceramiczna nasadka o niskim ESL może mieć około 0,5 oma przy 1 GHz.

2) Jeśli wartość jest znacznie mniejsza niż charakterystyczna impedancja linii, nie ma znaczenia, gdzie umieścisz ją na linii: na nadajniku lub odbiorniku.

Gdy dodaje się kondensator w pobliżu RX, jeśli impedancja jest niewielka, jest on szeregowy z rezystorem końcowym (lub czymkolwiek w RX) i nie powinien istotnie wpływać na integralność sygnału (50 Ohm + 0 Ohm = 50 Ohm).

3) Idealną lokalizacją trzonka jest TX, ponieważ odbity sygnał „zsumuje się” z nadawanym sygnałem. Podczas gdy w przypadku pozycjonowania w RX sygnał odbity może sumować się do następnego symbolu (w zależności od opóźnienia linii) tworząc ISI.

Zatem ogólnie wymagania dotyczące położenia (w TX lub RX) zależą od częstotliwości zainteresowania i całkowitej impedancji kondensatora na tej częstotliwości.

W ty przypadku, Z może być nie wiele mniejszy niż Z0. Dla 1 GHz reaktancja indukcyjna może wynosić jedynie około 6 omów (przy założeniu 1 nH ESL, L * 2 * pi * f). Tak więc, dla tak wysokich częstotliwości (1 GHz i więcej), czapka powinna być idealnie zlokalizowana w pobliżu TX, a nie w pobliżu RX.

Ale w przypadku niższych częstotliwości, gdy impedancję kondensatora można pominąć (w stosunku do Z0), kondensator można umieścić po stronie RX (jak to czasem bywa w praktyce) bez istotnego uszkodzenia integralności sygnału.

AKTUALIZACJA
W przypadku „małego” Z widać z góry.

W przypadku „dużego” Z ulepszoną zasadą byłoby:
- dla zakończenia źródła umieścić kondensator sprzęgający w odbiorniku.
- w celu zakończenia obciążenia umieścić kondensator sprzęgający na nadajniku.
- dla zakończenia źródła obciążenia (podwójnego) nie ma to znaczenia.

W szczególności, w przypadku zakończenia źródła, zalecenie umieszczenia kondensatora odsprzęgającego w nadajniku jest błędne . Z jest w szeregu z Z0 (dodanym do niego). Bezpośredni negatywny wpływ na refleksję. Podczas gdy jeśli Z znajduje się w odbiorniku (zakładając, że jest blisko), nie ma efektu negatywnego (Z jest dodawany do pewnej rezystancji dużego obciążenia, Z + nieskończoność = nieskończoność).