高速电路设计中耦合电容的重要性

周四, 24 五月 2018 - 11:23

相对于低频电路需要做复杂的电路匹配，高频电路结构相对简单，可简单的结构往往意味着需要考虑更多的问题。拿最常见的AC耦合电容来讲，要么在芯片之间加两颗直连，要么在芯片与连接器之间加两颗。看似简单，但一切都因为高速而不同。高速使这颗电容变得不“理想”，这颗电容没有设计好，可能会导致整个项目的失败。因此，对高速电路而言，这颗AC耦合电容没有优化好将是“致命”的。

下面笔者依据之前的项目经验，盘点分析一下我在这颗电容的使用上遇到的一些问题。

最开始要先明白AC耦合电容的作用。一般来讲，我们用AC耦合电容来提供直流偏压，就是滤出信号的直流分量，使信号关于0轴对称。既然是这个作用，那么这颗电容是不是可以放在通道的任何位置呢？这就是笔者最初做高频电路时，在这颗电容使用上遇到的第一个问题——AC耦合电容到底该放在哪。

这里拿一个项目中常遇到典型的通路来分析。
<img alt="图1：AC耦合电容典型通路" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="e483c1c0-83c3-4bea-90f0-68e87b3198b3" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9AAC%E8%80%A6%E5%90%88%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%85%B8%E5%9E%8B%E9%80%9A%E8%B7%AF.png" />
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图1：AC耦合电容典型通路
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在低速电路设计中，这颗电容可以等效成理想电容。而在高频电路中，由于寄生电感的存在以及板材造成的阻抗不连续性，实际上这颗电容不能看作是理想电容。这里信号频率2.5G，通道长度4000mil，AC耦合电容的位置分别在距离发送端和接收端200mil的位置。我们看一下仿真出的眼图的变化。
<img alt="图2：AC耦合电容靠近发送端的眼图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="f9b150dc-da98-4ac0-8f7c-49e59437bc63" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%EF%BC%9AAC%E8%80%A6%E5%90%88%E7%94%B5%E5%AE%B9%E9%9D%A0%E8%BF%91%E5%8F%91%E9%80%81%E7%AB%AF%E7%9A%84%E7%9C%BC%E5%9B%BE.png" />
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图2：AC耦合电容靠近发送端的眼图
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<img alt="图3：AC耦合电容靠近接收端的眼图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="affff9a9-a0cd-4f36-ac78-7720daeaadd2" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%EF%BC%9AAC%E8%80%A6%E5%90%88%E7%94%B5%E5%AE%B9%E9%9D%A0%E8%BF%91%E6%8E%A5%E6%94%B6%E7%AB%AF%E7%9A%84%E7%9C%BC%E5%9B%BE.png" />
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图3：AC耦合电容靠近接收端的眼图
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显然，这颗AC耦合电容靠近接收端的时候信号的完整性要好于放在发送端。我的理解是这样的，非理想电容器阻抗不连续，信号经过通道衰减后反射的能量会小于直接反射的能量，所以绝大多数串行链路要求这颗AC耦合电容放在接收端。但也有例外，笔者之前做板对板连接时遇到过这个问题，查PCIE规范发现如果是两个板通常放置在发送端上，此时还利用到了AC耦合电容的另外一个作用——过压保护。比如说SATA，所以通常要求靠近连接器放置。

解决了放置的问题，另一个困扰大家的就是容值的选取了。这样说，我们的整个串行链路等效出的电阻R是固定的，那么AC耦合电容C的选取将会关系到时间常数（RC），RC越大，过的直流分量越大，直流压降越低。既然这样，AC耦合电容可以无限增大吗？显然是不行的。
<img alt="图4：AC耦合电容增大后测量到的眼图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="984a63ff-1c04-458c-b8cd-37271cb18789" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4%EF%BC%9AAC%E8%80%A6%E5%90%88%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%A2%9E%E5%A4%A7%E5%90%8E%E6%B5%8B%E9%87%8F%E5%88%B0%E7%9A%84%E7%9C%BC%E5%9B%BE.png" />
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图4：AC耦合电容增大后测量到的眼图
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同样的位置，与图3相比可以看出增大耦合电容后，眼高变低。原因是“高速”使电容变的不理想。感应电感会产生串联谐振，容值越大，谐振频率越低，AC耦合电容在低频情况下呈感性，因此高频分量衰减增大，眼高变小，上升沿变缓，相应的JITTER也会增大。通常建议AC耦合电容在0.01uf~0.2uf之间，项目中0.1uf比较常见。推荐使用0402的封装。

最后，解决了以上两个问题，再从PCB设计上分析一下这颗电容的优化设计。实际在项目中，与AC耦合电容的位置、容值大小这些可见因素相比，更加难以捉摸的是板材本身（包括焊盘的精度、铜箔的均匀度等）以及焊盘处的寄生电容对信号完整性的影响。我们知道，高频信号必须沿着有均匀特征阻抗的路径传播，如果遇到阻抗失配或者不连续的情况时，部分信号会被反射回发射端，造成信号的衰减，影响信号的完整性。项目中，这种情况通常会出现在焊盘或者是板载连接器处。笔者最初涉及的高速电路设计时，经常遇到这个问题。

解决这个问题要从两个方面入手。首先在板材的选取上，我们在应用中通常选用高性能的ROGERS板材，罗杰斯的板材在铜箔厚度的控制上非常精确，均匀的铜箔覆盖大大降低了阻抗的不连续性；然后在消除焊盘处的寄生电容上，业内常见的办法是在焊盘处做隔层处理（挖空位于焊盘正下方的参考平面区域，在内层创建铜填充），通过增大焊盘与其参考平面（或者是返回路径）之间的距离，减小电容的不连续性。在笔者的项目中多采用介质均匀、铜箔宽度控制精确的ROGERS板材也有效提高了焊盘的加工精度。

通过仿真对比一下ROGERS板材做精确隔层处理前后的信号完整性。
<img alt="图5：做隔层处理前的TDR" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="fc1b5590-c676-431b-8f87-f315196d6d3f" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5%EF%BC%9A%E5%81%9A%E9%9A%94%E5%B1%82%E5%A4%84%E7%90%86%E5%89%8D%E7%9A%84TDR.png" />
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图5：做隔层处理前的TDR
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<img alt="图6：做隔层处理后的TDR" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="7c167692-43c3-4714-beab-bedb8b8137ae" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE6%EF%BC%9A%E5%81%9A%E9%9A%94%E5%B1%82%E5%A4%84%E7%90%86%E5%90%8E%E7%9A%84TDR.png" />
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图6：做隔层处理后的TDR
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图5图6对比，发现未处理之前阻抗的跳跃很明显，隔层处理后的阻抗改善很多，几乎没有任何阶跃与不连续。
<img alt="图7：做隔层处理前的回波损耗" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="81b8acbf-bcd4-43bc-8964-aa9aec03791e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7%EF%BC%9A%E5%81%9A%E9%9A%94%E5%B1%82%E5%A4%84%E7%90%86%E5%89%8D%E7%9A%84%E5%9B%9E%E6%B3%A2%E6%8D%9F%E8%80%97.png" />
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图7：做隔层处理前的回波损耗
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<img alt="图8：做隔层处理后的回波损耗" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="f009ed8c-75d0-4686-b4a0-233cdb367292" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7%EF%BC%9A%E5%81%9A%E9%9A%94%E5%B1%82%E5%A4%84%E7%90%86%E5%89%8D%E7%9A%84%E5%9B%9E%E6%B3%A2%E6%8D%9F%E8%80%97_0.png" /><img alt="图8：做隔层处理后的回波损耗" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="52b70107-415f-442a-a606-1ae96a7a1856" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE8%EF%BC%9A%E5%81%9A%E9%9A%94%E5%B1%82%E5%A4%84%E7%90%86%E5%90%8E%E7%9A%84%E5%9B%9E%E6%B3%A2%E6%8D%9F%E8%80%97.png" />
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图8：做隔层处理后的回波损耗
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图7图8对比，在用ROGERS板材做隔层处理之后，相比未做隔层处理回波损耗下降到-30dB之内，大大降低了回波损耗，保证了信号传输的完整。

综上，想要搞定高频电路中这颗“致命”的AC耦合电容，不仅要做足电路设计上的功课，同时，选择性能更好的高频PCB板材料会让你事半功倍。

文章来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxOTMxMDE0Mw==&mid=2811827106&am…;射频百花潭</a>