Condensadores de acoplamiento de CA para interfaces diferenciales de alta velocidad

Los condensadores de acoplamiento generalmente se colocan cerca de la fuente del transmisor.

Siguiendo con el Dr. Johnson, necesitamos averiguar la distancia. La velocidad de propagación de las señales en la mayoría de los tipos de placa FR4 es aproximadamente c / 2. Esto equivale a alrededor de 170ps por pulgada para capas internas y más como 160 ps por pulgada para capas externas.

Usando una interfaz estándar que funciona a 2.5Gb / seg, el intervalo de la unidad es de 400ps, por lo que, según esto, deberíamos estar a menos de 200 ps del transmisor. Si esta interfaz se ha implementado en un IC, debe recordar que los cables de conexión forman parte de esta distancia. A continuación se muestra un poco más a fondo el tema.

En la práctica, los dispositivos de acoplamiento se colocan lo más cerca posible del dispositivo transmisor. Esta ubicación varía naturalmente según el dispositivo.

Ahora el condensador. Este es un dispositivo RLC a estas velocidades, y la mayoría de los dispositivos están muy por encima de la resonancia propia en aplicaciones de múltiples gigabits. Esto significa que es posible que tenga una impedancia significativa que sea más alta que la línea de transmisión.

Como referencia, la autoinducción para algunos tamaños de dispositivos: 0402 ~ 0.7nH 0603 ~ 0.9nH 0805 ~ 1.2nH

Para solucionar problemas de dispositivos de alta impedancia (un problema importante en PCI Express debido a la naturaleza del entrenamiento de enlace), a veces utilizamos los llamados dispositivos de geometría inversa porque la autoinducción de las partes es significativamente menor. La geometría inversa es justo lo que dice: un dispositivo 0402 tiene los contactos 04 aparte, donde un dispositivo 0204 usa el 02 como la distancia entre los contactos. Una parte 0204 tiene un valor típico de autoinducción de 0.3 nH, lo que reduce significativamente la impedancia efectiva del dispositivo.

Ahora a esa discontinuidad: producirá reflexiones. Cuanto más lejos esté esa reflexión, mayor será el impacto en la fuente (y la pérdida de energía, ver más abajo) dentro del rango de distancia de 1/2 del tiempo de transición de la señal; más allá de eso hace poca diferencia.

A una distancia de 1/2 del tiempo de transición o más lejos de la fuente, la reflexión se puede calcular utilizando la ecuación del coeficiente de reflexión ([Zl - Zs] / [Zl + Zs]). Si la reflexión se genera más cerca de manera que la reflexión efectiva sea más baja que esto, hemos reducido efectivamente el coeficiente de reflexión y reducido la energía perdida. Cuanto más cerca se pueda situar cualquier reflexión conocida con respecto al transmisor, menor será el efecto que tendrá en el sistema. Esta es la razón por la que las vías de ruptura en dispositivos BGA con interfaces de alta velocidad se realizan tan cerca de la pelota como sea posible. Se trata de reducir el efecto de las reflexiones.

Como ejemplo, si coloco el condensador de acoplamiento (para el enlace de 2.5Gb / seg) a 0.1 pulgadas de la fuente, la distancia equivale a un tiempo de 17 ps. Como el tiempo de transición de estas señales generalmente se limita a no más de 100 picosegundos, el coeficiente de reflexión es, por lo tanto, del 17%. Tenga en cuenta que este tiempo de transición equivale a artefactos de señalización de 5 GHz. Si colocamos el dispositivo más lejos (más allá del tiempo de transición / 2 límite), y usamos los valores típicos para 0402 100nH, tenemos Z (cap) = 22 ohms, Z (track) aproximadamente 50 ohms, y por lo tanto tenemos una reflexión Coeficiente de alrededor del 40%. La reflexión real será peor debido a las almohadillas del dispositivo.

Primero, ¿por qué usarías un acoplamiento de CA? Desde Dr Johnson , aquí hay tres razones comunes por las que podría querer usarlas:

• Para cambiar el nivel de polarización de DC al interconectar familias lógicas con Diferentes umbrales de conmutación.
• Para proporcionar una interfaz extraíble que pueda cortocircuitarse a tierra sin dañar los controladores de salida.
• Cuando se combina con señalización diferencial y acoplamiento de transformador, para conectar cajas sin requerir ninguna conexión de CC entre los dos chasis del producto.

La opción intermedia es una de las razones principales por las que hacemos esto con tarjetas pcie extraíbles, por ejemplo.

Ahora donde colocar. Cualquier condensador de acoplamiento de CA que coloque en su línea de señal será un punto de impedancia inferior y, por lo tanto, causará un reflejo negativo en la fuente. Si esta reflexión regresará o no y luego interferirá con otros bits, se determina por la velocidad de su señal y la distancia de este punto de reflexión desde su transmisor.

De nuevo, de otro ejemplo de Johnson , sugiere que para evitar este ISI, coloque sus gorras dentro de " mucho menos que 1/2 un intervalo de baudios ". Dado el ejemplo de un enlace de 10Gbps con un poco de tiempo de 100ps, sugiere que daría una distancia de menos de 100mils. Luego, explica con más detalle cómo podría reducir la capacitancia parásita de sus tapas y su punto de reflexión de baja impedancia.

Extender esta línea de pensamiento a 1.5Gbps con un poco de tiempo de 667ps, es un tiempo de alrededor de 4 o 5 pulgadas y tomar una décima parte de eso le permite aproximadamente media pulgada. Eso me parece bastante conservador, pero ese es probablemente el punto. En la práctica, puse tapones de bloqueo para pcie directamente en el conector, pero de nuevo estoy agrupando el punto de reflexión de las tapas con el conector.

Su pregunta está realmente relacionada con la teoría de la línea de transmisión y cómo funcionan las reflexiones. Al leer sobre esto, tal vez haga algunas simulaciones si tiene acceso a una herramienta, o un simple experimento de tablero con mayúsculas en diferentes ubicaciones debería ayudarlo a determinar el mejor enfoque para su aplicación.

1) Primero debe calcular la impedancia total del capacitor utilizando la fórmula:

LosfabricantesproporcionanlosvaloresdeESRyESL(osimplementeuseunacurvadeimpedanciaenunahojadedatosparaencontrarlaimpedanciaenlafrecuenciadeinterés).UnabuenatapacerámicabajaenESLpuedeteneralrededorde0,5ohmiosa1GHz.

2)Sielvaloresmuchomenorquelaimpedanciacaracterísticadelalínea,noimportadóndelocoloqueenlalínea:eneltransmisoroenelreceptor.

AlagregarelcapacitorcercadeRX,silaimpedanciaespequeña,estáenserieconlaresistenciadeterminación(oloqueseaqueestéenelRX)ynodeberíaafectarmaterialmentelaintegridaddelaseñal(50Ohm+0Ohm=50Ohm).

3)LaubicaciónidealdelatapaestáenelTX,yaquelaseñalreflejadase"sumará" a la señal transmitida. Mientras que en el caso de posicionarse en el RX, la señal reflejada puede agregarse al siguiente símbolo (depende del tiempo de espera de una línea) creando ISI.

Por lo tanto, en general, los requisitos de posición (en TX o RX) dependen de la frecuencia de interés y la impedancia total del capacitor en esa frecuencia.

En tu caso, Z puede ser no mucho más pequeño que Z0. Para 1 GHz, la reactancia inductiva solo puede ser de aproximadamente 6 ohmios (suponiendo 1 nH ESL, L * 2 * pi * f). Por lo tanto, para tales frecuencias altas (1 GHz y superiores), el límite debería estar ubicado idealmente cerca de TX, no cerca de RX.

Pero para frecuencias más bajas, cuando la impedancia del capacitor se puede descuidar (en relación a Z0), el capacitor se puede colocar en el lado RX (como se hace a veces en la práctica) sin daño material a la integridad de la señal.

ACTUALIZACIÓN
Para el caso de la "pequeña" Z queda claro desde arriba.

Para el caso de una Z "grande", una regla mejorada sería:
- para una terminación de fuente, coloque un condensador de acoplamiento en el receptor.
- para una terminación de carga, coloque un condensador de acoplamiento en el transmisor.
- para una terminación de fuente de carga (doble) no importa.

En particular, para un caso de terminación de fuente, la recomendación de colocar un condensador de desacoplamiento en el transmisor es incorrecta . Z está en serie con Z0 (añadido a ella). Hay un impacto negativo directo en la reflexión. Mientras que si Z está en el receptor (suponiendo que está cerca de él), no hay ningún efecto negativo (Z se agrega a alguna resistencia de carga grande, Z + infinito = infinito).

¿Por qué agregaría condensadores de acoplamiento de CA a sus señales de alta velocidad? Añaden discontinuidades de impedancia que solo pueden dañar la integridad de la señal (?).

La RAZÓN de que el acoplamiento de CA se usa en la señalización de alta velocidad (USB3 / PCIe / DisplayPort / ...) es para que los fabricantes de circuitos integrados tengan diferentes fuentes de alimentación que se adapten mejor a su arquitectura.

Por ejemplo, HDMI tiene 4 pares diferenciales. Cada señal se termina con 50 ohmios a 5V. Si diseña un IC con HDMI, entonces también debe tener un suministro de 5V. Este es un problema serio que agrega costos y complejidad adicionales.

DisplayPort utiliza el acoplamiento de CA en las señales de alta velocidad para que cada fabricante de IC pueda usar la fuente de alimentación que mejor se adapte a sus necesidades.

El acoplamiento de CA tiene su propio conjunto de desafíos. Además de las discontinuidades que agrega el condensador de acoplamiento de CA, generalmente se requiere algún tipo de inicialización / balanceo (generalmente una cadena de 0 y 1) para asegurarse de que el desplazamiento de CC se elimine de la línea antes de que comience la comunicación. Una vez que comienza la comunicación, se debe tener cuidado de mantener la línea en equilibrio enviando el mismo número de 0 y 1. (ver codificación 8b / 10b)