Tụ ghép AC cho giao diện vi sai tốc độ cao

Bạn có thể giải thích cho tôi tại sao và nơi tôi nên đặt các tụ ghép nối AC (thường là khoảng 0,1uF) trên các giao diện nối tiếp vi sai tốc độ cao (1 ... 5 GHz) (như SerDes cho các mô đun SFP Gigabit Ethernet) không?

Từ những gì tôi đã đọc, các nắp nên được đặt càng gần chân nhận càng tốt. Bất kỳ tài liệu tham khảo hợp pháp đều được chào đón.

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


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

Cảm ơn bạn trước

CẬP NHẬT:

Nhận được phản hồi từ nhà sản xuất IC và nó khuyên tôi nên đặt các nắp gần với máy phát hơn. Vì vậy, có vẻ như địa điểm thực tế phụ thuộc vào cách thức hoạt động của IC cụ thể. Cách đây một thời gian, có một lời khuyên hoàn toàn ngược lại từ một nhà sản xuất khác.

Các tụ ghép thường được đặt gần nguồn phát.

Đi cùng với Tiến sĩ Johnson, chúng ta cần tìm ra khoảng cách. Tốc độ lan truyền của tín hiệu trên hầu hết các loại bảng FR4 là khoảng c / 2. Điều này tương đương với khoảng 170ps mỗi inch cho các lớp bên trong và giống như 160 ps mỗi inch cho các lớp bên ngoài.

Sử dụng giao diện tiêu chuẩn chạy ở tốc độ 2,5Gb / giây, khoảng thời gian đơn vị là 400ps, do đó, theo đó, chúng ta nên cách máy phát ít hơn 200 ps. Nếu giao diện này đã được thực hiện trong một IC, thì bạn cần nhớ rằng các dây liên kết là một phần của khoảng cách này. Dưới đây là một cái nhìn sâu hơn một chút về vấn đề này.

Trong thực tế, các thiết bị ghép được đặt càng gần càng tốt với thiết bị phát. Vị trí này tự nhiên thay đổi tùy thuộc vào thiết bị.

Bây giờ là tụ điện. Đây là một thiết bị RLC ở các tốc độ này và hầu hết các thiết bị đều vượt quá khả năng tự cộng hưởng trong các ứng dụng đa gigabit. Điều này có nghĩa là bạn cũng có thể có trở kháng đáng kể cao hơn đường truyền.

Để tham khảo, độ tự cảm cho một vài kích thước thiết bị: 0402 ~ 0.7nH 0603 ~ 0.9nH 0805 ~ 1.2nH

Để giải quyết các vấn đề về thiết bị trở kháng cao (một vấn đề lớn trong PCI express do bản chất của đào tạo liên kết), đôi khi chúng tôi sử dụng cái gọi là thiết bị hình học đảo ngược vì độ tự cảm của các bộ phận thấp hơn đáng kể. Hình học ngược chỉ là những gì nó nói: Một thiết bị 0402 có các tiếp điểm cách nhau 04, trong đó một thiết bị 0204 sử dụng 02 làm khoảng cách giữa các tiếp điểm. Một phần 0204 có giá trị tự cảm điển hình là 0,3nH, làm giảm đáng kể trở kháng hiệu quả của thiết bị.

Bây giờ đến sự gián đoạn đó: nó sẽ tạo ra sự phản chiếu. Sự phản xạ càng xa, tác động đến nguồn (và mất năng lượng, xem bên dưới) càng lớn trong phạm vi khoảng cách bằng 1/2 thời gian chuyển tiếp của tín hiệu; ngoài đó làm cho ít sự khác biệt.

Ở khoảng cách 1/2 thời gian chuyển tiếp hoặc xa hơn từ nguồn, sự phản xạ có thể được tính bằng phương trình hệ số phản xạ ([Zl - Zs] / [Zl + Zs]). Nếu sự phản xạ được tạo ra gần hơn sao cho độ phản xạ hiệu quả thấp hơn mức này, chúng ta đã giảm hiệu quả hệ số phản xạ và giảm năng lượng bị mất. Càng gần bất kỳ sự phản chiếu nào có thể được đặt đối với máy phát, thì càng ít ảnh hưởng đến hệ thống mà nó sẽ có. Đây là lý do mà vias thoát ra dưới các thiết bị BGA có giao diện tốc độ cao được thực hiện càng gần bóng càng tốt. Đó là tất cả về việc giảm hiệu ứng của các phản xạ.

Ví dụ, nếu tôi đặt tụ ghép (đối với liên kết 2,5Gb / giây) ở nguồn 0,1 inch, thì khoảng cách tương đương với thời gian là 17ps. Vì thời gian chuyển tiếp của các tín hiệu này thường bị giới hạn không quá 100 picos giây, nên hệ số phản xạ là 17%. Lưu ý rằng thời gian chuyển đổi này tương đương với các vật phẩm báo hiệu 5GHz. Nếu chúng ta đặt thiết bị ở xa hơn (vượt quá giới hạn thời gian chuyển đổi / 2) và sử dụng các giá trị tiêu biểu cho 0402 100nH, chúng ta có Z (nắp) = 22 ohms, Z (rãnh) khoảng 50 ohms và do đó chúng ta có phản xạ hệ số khoảng 40%. Sự phản ánh thực tế sẽ tồi tệ hơn do các miếng đệm thiết bị.

Đầu tiên tại sao bạn lại sử dụng khớp nối AC? Từ Dr Johnson đây là ba lý do phổ biến bạn có thể muốn sử dụng chúng:

• Để thay đổi mức độ thiên vị DC khi kết nối các họ logic với các ngưỡng chuyển đổi khác nhau.
• Để cung cấp một giao diện có thể tháo rời có thể được rút ngắn xuống đất mà không làm hỏng trình điều khiển đầu ra.
• Khi kết hợp với tín hiệu vi sai và khớp nối máy biến áp, để kết nối các hộp mà không yêu cầu bất kỳ kết nối DC nào giữa hai khung sản phẩm.

Tùy chọn ở giữa là một trong những lý do chính khiến chúng tôi làm điều này với thẻ pcie có thể tháo rời chẳng hạn.

Bây giờ nơi để đặt. Bất kỳ tụ điện ghép AC nào bạn đặt trong đường tín hiệu của bạn sẽ là điểm trở kháng thấp hơn và do đó sẽ gây ra phản xạ âm trở lại nguồn. Việc phản xạ này có quay lại hay không và sau đó can thiệp vào các bit khác được xác định bởi tốc độ tín hiệu của bạn và khoảng cách của điểm phản xạ này từ máy phát của bạn.

Một lần nữa từ một ví dụ khác của Johnson , ông đề nghị rằng để tránh ISI này, bạn nên đặt mũ của mình trong "ít hơn 1/2 một khoảng thời gian". Lấy ví dụ về liên kết serdes 10Gbps với thời gian bit là 100ps, ông cho rằng sẽ cho khoảng cách dưới 100mils. Sau đó, ông giải thích thêm về cách bạn có thể giảm điện dung ký sinh của mũ của bạn và điểm phản xạ trở kháng thấp của chúng.

Mở rộng dòng suy nghĩ này lên 1,5Gbps với thời gian bit là 667ps, đó là một chút thời gian khoảng 4 hoặc 5 inch và lấy một phần 10 trong số đó giúp bạn có khoảng nửa inch. Điều đó có vẻ khá bảo thủ với tôi nhưng đó có lẽ là vấn đề. Trong thực tế, tôi đã đặt các nắp chặn cho pcie ngay trên đầu nối nhưng một lần nữa tôi lại đưa điểm phản chiếu của các nắp vào bằng đầu nối.

Câu hỏi của bạn thực sự liên quan đến lý thuyết đường truyền và cách phản xạ hoạt động. Đọc về điều đó, có lẽ thực hiện một số mô phỏng nếu bạn có quyền truy cập vào một công cụ hoặc thử nghiệm bảng đơn giản với mũ ở các vị trí khác nhau sẽ giúp bạn xác định phương pháp tốt nhất cho ứng dụng của mình.

Tại sao bạn lại thêm tụ điện xoay chiều vào tín hiệu tốc độ cao? Họ thêm sự gián đoạn trở kháng chỉ có thể làm tổn thương tính toàn vẹn tín hiệu (?).

REASON mà khớp nối AC được sử dụng trong báo hiệu tốc độ cao (USB3 / PCIe / DisplayPort / ...) để các nhà sản xuất IC có thể có các nguồn cung cấp năng lượng khác nhau phù hợp hơn với kiến ​​trúc của họ.

Ví dụ: HDMI có 4 cặp vi sai. Mỗi tín hiệu được kết thúc với 50 ohms đến 5V. Nếu bạn thiết kế một IC có HDMI, thì bạn cũng phải có nguồn 5V. Đây là một cơn đau nghiêm trọng làm tăng thêm chi phí và sự phức tạp.

DisplayPort sử dụng khớp nối AC trên các tín hiệu tốc độ cao để mỗi nhà sản xuất IC có thể sử dụng nguồn điện nào phù hợp nhất với nhu cầu của họ.

Khớp nối AC có những thách thức riêng. Ngoài các điểm không liên tục mà tụ ghép nối AC thêm vào, thường có một số loại khởi tạo / cân bằng cần thiết (thường là một chuỗi 0 và 1) để đảm bảo rằng phần bù DC được loại bỏ khỏi đường dây trước khi bắt đầu giao tiếp. Khi giao tiếp bắt đầu, phải cẩn thận để giữ cho dòng được cân bằng bằng cách gửi cùng một số 0 và 1. (xem mã hóa 8b / 10b)

1) Trước tiên bạn nên tính tổng trở kháng của tụ điện bằng công thức:

Các giá trị ESR và ESL được cung cấp bởi các nhà sản xuất (hoặc chỉ sử dụng đường cong trở kháng trong biểu dữ liệu để tìm trở kháng ở tần suất quan tâm). Một nắp gốm tốt-thấp có thể có khoảng 0,5 Ohm tại 1 GHz.

2) Nếu giá trị nhỏ hơn nhiều thì trở kháng đặc tính của đường dây, việc bạn đặt nó trên đường dây không quan trọng: tại máy phát hoặc máy thu.

Khi thêm tụ gần RX, nếu trở kháng nhỏ, nó nối tiếp với điện trở kết thúc (hoặc bất cứ thứ gì nó có ở RX) và không ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính toàn vẹn tín hiệu (50 Ohm + 0 Ohm = 50 Ohm).

3) Vị trí lý tưởng của nắp là tại TX, vì tín hiệu phản xạ sẽ "cộng" vào tín hiệu truyền đi. Trong khi trong trường hợp định vị tại RX, tín hiệu phản xạ có thể thêm vào một biểu tượng tiếp theo (tùy thuộc vào độ trễ thời gian của một dòng) tạo ra ISI.

Vì vậy, nói chung, yêu cầu vị trí (tại TX hoặc RX) phụ thuộc vào tần số quan tâm và tổng trở kháng tụ ở tần số đó.

Trong trường hợp của bạn, Z không thể nhỏ hơn Z0 nhiều. Đối với 1 GHz, phản ứng cảm ứng chỉ có thể ở khoảng 6 Ohm (giả sử 1 nH ESL, L * 2 * pi * f). Vì vậy, đối với các tần số cao như vậy (1 GHz trở lên), nắp phải được đặt lý tưởng gần TX, không phải gần RX.

Nhưng đối với các tần số thấp hơn, khi có thể bỏ qua trở kháng tụ điện (so với Z0), tụ điện có thể được đặt ở phía RX (đôi khi được thực hiện trong thực tế) sẽ làm hỏng vật liệu đối với tính toàn vẹn tín hiệu.

CẬP NHẬT
Đối với trường hợp Z "nhỏ" thì rõ ràng từ phía trên.

Đối với trường hợp Z "lớn", một quy tắc nâng cao sẽ là:
- đối với chấm dứt nguồn, đặt tụ ghép ở đầu thu.
- đối với một kết thúc tải đặt một tụ điện khớp nối tại máy phát.
- đối với việc chấm dứt nguồn tải (kép), điều đó không thành vấn đề.

Đặc biệt, đối với trường hợp chấm dứt nguồn, khuyến nghị đặt tụ tách rời tại máy phát là sai . Z nằm trong chuỗi với Z0 (được thêm vào nó). Có một tác động tiêu cực trực tiếp đến sự phản ánh. Trong khi nếu Z ở máy thu (giả sử gần với nó), thì không có hiệu ứng âm (Z được thêm vào một số điện trở tải lớn, Z + vô cực = vô cực).