Конденсаторы переменного тока для высокоскоростных дифференциальных интерфейсов

Можете ли вы объяснить, почему и где я должен устанавливать конденсаторы с переменным напряжением (обычно около 0,1 мкФ) на высокоскоростных (1 ... 5 ГГц) дифференциальных последовательных интерфейсах (например, SerDes для модулей SFP Gigabit Ethernet)?

Из того, что я прочитал, крышки должны быть расположены как можно ближе к контактам приемника. Любые законные ссылки приветствуются.

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


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

заранее спасибо

ОБНОВИТЬ:

Получил ответ от производителя микросхемы, и он посоветовал мне поставить колпачки ближе к передатчику. Таким образом, кажется, что фактическое место зависит от того, как работает конкретный IC. Некоторое время назад был совершенно противоположный совет от другого производителя.

Конденсаторы связи обычно располагаются рядом с источником передатчика.

Вместе с доктором Джонсоном нам нужно выяснить расстояние. Скорость распространения сигналов на большинстве типов плат FR4 составляет около с / 2. Это соответствует примерно 170 пс на дюйм для внутренних слоев и более примерно 160 пс на дюйм для внешних слоев.

При использовании стандартного интерфейса, работающего на скорости 2,5 Гбит / с, интервал между модулями составляет 400 с, поэтому в соответствии с этим мы должны быть на расстоянии менее 200 пс от передатчика. Если этот интерфейс был реализован в ИС, то вам нужно помнить, что соединительные провода являются частью этого расстояния. Ниже немного более подробно рассмотрен вопрос.

На практике соединительные устройства располагаются как можно ближе к передающему устройству. Это местоположение естественно варьируется в зависимости от устройства.

Теперь конденсатор. Это RLC-устройство на этих скоростях, и большинство устройств намного выше собственного резонанса в мультигигабитных приложениях. Это означает, что у вас вполне может быть значительный импеданс, который выше, чем у линии передачи.

Для справки: собственная индуктивность для устройств нескольких размеров: 0402 ~ 0,7 нГн 0603 ~ 0,9 нГн 0805 ~ 1,2 нГн

Чтобы обойти проблемы с устройствами с высоким импедансом (основная проблема в PCI Express из-за характера обучения канала), мы иногда используем так называемые устройства с обратной геометрией, потому что собственная индуктивность деталей значительно ниже. Обратная геометрия - это то, что она говорит: устройство 0402 имеет контакты 04 друг от друга, где устройство 0204 использует 02 в качестве расстояния между контактами. Часть 0204 имеет типичное значение собственной индуктивности 0,3 нГн, что значительно снижает эффективный импеданс устройства.

Теперь к этому разрыву: он будет производить отражения. Чем дальше от этого отражения, тем больше влияние на источник (и потери энергии, см. Ниже) в диапазоне расстояний 1/2 от времени перехода сигнала; кроме того, мало что меняет.

На расстоянии 1/2 времени перехода или дальше от источника отражение можно рассчитать, используя уравнение коэффициента отражения ([Zl - Zs] / [Zl + Zs]). Если отражение генерируется ближе так, что эффективное отражение ниже этого, мы эффективно уменьшили коэффициент отражения и уменьшили потерянную энергию. Чем ближе любое известное отражение может быть расположено относительно передатчика, тем меньше будет влияние на систему. По этой причине переходные отверстия в устройствах BGA с высокоскоростными интерфейсами выполняются как можно ближе к мячу. Это все о снижении эффекта отражений.

Например, если я размещаю конденсатор связи (для линии 2,5 Гбит / с) на расстоянии 0,1 дюйма от источника, то это расстояние равно 17 с. Поскольку время перехода этих сигналов обычно ограничено не более 100 пикосекунд, коэффициент отражения, следовательно, составляет 17%. Обратите внимание, что это время перехода соответствует артефактам сигнализации 5 ГГц. Если мы поместим устройство подальше (за пределы времени перехода / 2) и используем типичные значения 0402 100 нГ, у нас Z (cap) = 22 Ом, Z (дорожка) около 50 Ом, и поэтому мы имеем отражение коэффициент около 40%. Реальное отражение будет хуже из-за прокладок устройства.

Во-первых, зачем вам использовать переменный ток? У доктора Джонсона есть три распространенные причины, по которым вы можете их использовать:

• Изменить уровень смещения постоянного тока при соединении логических семейств с различными порогами переключения.
• Обеспечить съемный интерфейс, который можно замкнуть на землю без повреждения выходных драйверов.
• В сочетании с дифференциальной сигнализацией и трансформаторной связью, для подключения коробок, не требуя подключения постоянного тока между двумя шасси продукта.

Средний вариант - одна из основных причин, по которой мы делаем это, например, со съемными картами pcie.

Теперь где разместить. Любой конденсатор связи переменного тока, который вы поместите в свою сигнальную линию, будет точкой с более низким импедансом и поэтому вызовет отрицательное отражение обратно к источнику. Будет ли это отражение возвращаться и затем мешать другим битам, определяется скоростью вашего сигнала и расстоянием этой точки отражения от вашего передатчика.

Снова из другого примера Джонсона он предлагает, чтобы избежать этого ISI, вы должны поместить свои заглавные буквы в "намного меньше, чем 1/2 интервала в бода". Учитывая пример соединения 10Gbps serdes с битовой скоростью 100ps, он предполагает, что это даст расстояние менее 100 мил. Затем он объясняет, как вы можете уменьшить паразитную емкость ваших колпачков и их точку отражения с низким импедансом.

Расширение этой линии мышления до 1,5 Гбит / с с небольшим временем 667 с, то есть с небольшим временем 4 или 5 дюймов, а с 10-тым моментом вы получите примерно полдюйма. Это кажется довольно консервативным для меня, но это, вероятно, суть. На практике я положил блокирующие колпачки для pcie прямо на разъем, но опять же я соединяю точку отражения колпачков с разъемом.

Ваш вопрос действительно связан с теорией линий электропередачи и с тем, как работают отражения. Читая об этом, возможно, выполняя некоторые симуляции, если у вас есть доступ к инструменту, или простой эксперимент с досками с заглавными буквами в разных местах, поможет вам определить лучший подход для вашего приложения.

Зачем вам добавлять конденсаторы переменного тока в ваши высокоскоростные сигналы? Они добавляют разрывы импеданса, которые могут только нарушить целостность сигнала (?).

ПРИЧИНА, что для высокоскоростной сигнализации (USB3 / PCIe / DisplayPort / ...) используется связь переменного тока, заключается в том, что производители микросхем могут иметь различные источники питания, которые лучше соответствуют их архитектуре.

Например, HDMI имеет 4 дифференциальных пары. Каждый сигнал заканчивается 50 Ом до 5 В. Если вы разрабатываете микросхему с HDMI, то у вас также должен быть источник питания 5 В. Это серьезная боль в заднице, которая добавляет дополнительные затраты и сложность.

DisplayPort использует соединение переменного тока для высокоскоростных сигналов, так что каждый производитель микросхем может использовать любой источник питания, который наилучшим образом соответствует их потребностям.

У связи с переменным током есть свои проблемы. В дополнение к разрывам, которые добавляет конденсатор связи переменного тока, обычно требуется некоторая инициализация / балансировка (обычно строка из 0 и 1), чтобы убедиться, что смещение постоянного тока удалено из линии перед началом связи. Как только связь начинается, необходимо следить за балансом линии, посылая одинаковое количество нулей и единиц. (см. кодирование 8b / 10b)

1) Сначала вы должны рассчитать полное сопротивление конденсатора по формуле:

Значения ESR и ESL предоставляются производителями (или просто используйте кривую сопротивления в таблице данных, чтобы найти сопротивление на интересующей частоте). Хорошая керамическая крышка с низким ESL может иметь около 0,5 Ом на частоте 1 ГГц.

2) Если значение намного меньше, чем характеристическое сопротивление линии, не имеет значения, где вы поместите его в линию: на передатчике или приемнике.

При добавлении конденсатора около RX, если импеданс мал, он последовательно подключен к оконечному резистору (или какому-либо другому на RX) и не должен существенно влиять на целостность сигнала (50 Ом + 0 Ом = 50 Ом).

3) Идеальное расположение колпачка в TX, так как отраженный сигнал «сложится» с передаваемым сигналом. В то время как в случае позиционирования в RX, отраженный сигнал может суммироваться со следующим символом (зависит от временной задержки линии), создавая ISI.

Таким образом, в общем случае требования к положению (в TX или RX) зависят от частоты, представляющей интерес, и полного сопротивления конденсатора на этой частоте.

В вашем случае Z может быть не намного меньше Z0. Для 1 ГГц индуктивное сопротивление только может составлять около 6 Ом (при условии 1 нГл ESL, L * 2 * pi * f). Таким образом, для таких высоких частот (1 ГГц и выше) колпачок должен быть идеально расположен рядом с TX, а не рядом с RX.

Но для более низких частот, когда импедансом конденсатора можно пренебречь (относительно Z0), конденсатор может быть установлен на стороне RX (как это иногда делается на практике) без материального ущерба для целостности сигнала.

ОБНОВЛЕНИЕ
Для случая "маленького" Z это ясно сверху.

В случае «большого» Z расширенное правило будет следующим:
- для окончания источника установите конденсатор связи в приемнике.
- для завершения нагрузки установите конденсатор связи на передатчике.
- для нагрузочного (двойного) окончания это не имеет значения.

В частности, для случая отключения источника рекомендация размещать развязывающий конденсатор в передатчике неверна . Z последовательно с Z0 (добавлено к нему). Существует прямое негативное влияние на рефлексию. В то время как если Z находится в приемнике (при условии, что оно близко к нему), отрицательного эффекта нет (Z добавляется к некоторому большому сопротивлению нагрузки, Z + бесконечность = бесконечность).