高速電路設(shè)計(jì)中耦合電容的重要性

高速電路設(shè)計(jì)中耦合電容的重要性

相對于低頻電路需要做復(fù)雜的電路匹配，高頻電路結(jié)構(gòu)相對簡單，可簡單的結(jié)構(gòu)往往意味著需要考慮更多的問題。拿最常見的AC耦合電容來講，要么在芯片之間加兩顆直連，要么在芯片與連接器之間加兩顆。看似簡單，但一切都因?yàn)楦咚俣煌?。高速使這顆電容變得不“理想”，這顆電容沒有設(shè)計(jì)好，可能會導(dǎo)致整個項(xiàng)目的失敗。因此，對高速電路而言，這顆AC耦合電容沒有優(yōu)化好將是“致命”的。

下面筆者依據(jù)之前的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，盤點(diǎn)分析一下我在這顆電容的使用上遇到的一些問題。

最開始要先明白AC耦合電容的作用。一般來講，我們用AC耦合電容來提供直流偏壓，就是濾出信號的直流分量，使信號關(guān)于0軸對稱。既然是這個作用，那么這顆電容是不是可以放在通道的任何位置呢？這就是筆者最初做高頻電路時，在這顆電容使用上遇到的第一個問題——AC耦合電容到底該放在哪。

這里拿一個項(xiàng)目中常遇到典型的通路來分析。

圖1：AC耦合電容典型通路

在低速電路設(shè)計(jì)中，這顆電容可以等效成理想電容。而在高頻電路中，由于寄生電感的存在以及板材造成的阻抗不連續(xù)性，實(shí)際上這顆電容不能看作是理想電容。這里信號頻率2.5G，通道長度4000mil，AC耦合電容的位置分別在距離發(fā)送端和接收端200mil的位置。我們看一下仿真出的眼圖的變化。

　　　　圖2：AC耦合電容靠近發(fā)送端的眼圖

　　　　圖3：AC耦合電容靠近接收端的眼圖

顯然，這顆AC耦合電容靠近接收端的時候信號的完整性要好于放在發(fā)送端。我的理解是這樣的，非理想電容器阻抗不連續(xù)，信號經(jīng)過通道衰減后反射的能量會小于直接反射的能量，所以絕大多數(shù)串行鏈路要求這顆AC耦合電容放在接收端。但也有例外，筆者之前做板對板連接時遇到過這個問題，查PCIE規(guī)范發(fā)現(xiàn)如果是兩個板通常放置在發(fā)送端上，此時還利用到了AC耦合電容的另外一個作用——過壓保護(hù)。比如說SATA，所以通常要求靠近連接器放置。

解決了放置的問題，另一個困擾大家的就是容值的選取了。這樣說，我們的整個串行鏈路等效出的電阻R是固定的，那么AC耦合電容C的選取將會關(guān)系到時間常數(shù)（RC），RC越大，過的直流分量越大，直流壓降越低。既然這樣，AC耦合電容可以無限增大嗎？顯然是不行的。

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同樣的位置，與圖3相比可以看出增大耦合電容后，眼高變低。原因是“高速”使電容變的不理想。感應(yīng)電感會產(chǎn)生串聯(lián)諧振，容值越大，諧振頻率越低，AC耦合電容在低頻情況下呈感性，因此高頻分量衰減增大，眼高變小，上升沿變緩，相應(yīng)的JITTER也會增大。通常建議AC耦合電容在0.01uf~0.2uf之間，項(xiàng)目中0.1uf比較常見。推薦使用0402的封裝。

最后，解決了以上兩個問題，再從PCB設(shè)計(jì)上分析一下這顆電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際在項(xiàng)目中，與AC耦合電容的位置、容值大小這些可見因素相比，更加難以捉摸的是板材本身（包括焊盤的精度、銅箔的均勻度等）以及焊盤處的寄生電容對信號完整性的影響。我們知道，高頻信號必須沿著有均勻特征阻抗的路徑傳播，如果遇到阻抗失配或者不連續(xù)的情況時，部分信號會被反射回發(fā)射端，造成信號的衰減，影響信號的完整性。項(xiàng)目中，這種情況通常會出現(xiàn)在焊盤或者是板載連接器處。筆者最初涉及的高速電路設(shè)計(jì)時，經(jīng)常遇到這個問題。

解決這個問題要從兩個方面入手。首先在板材的選取上，我們在應(yīng)用中通常選用高性能的ROGERS板材，羅杰斯的板材在銅箔厚度的控制上非常精確，均勻的銅箔覆蓋大大降低了阻抗的不連續(xù)性；然后在消除焊盤處的寄生電容上，業(yè)內(nèi)常見的辦法是在焊盤處做隔層處理（挖空位于焊盤正下方的參考平面區(qū)域，在內(nèi)層創(chuàng)建銅填充），通過增大焊盤與其參考平面（或者是返回路徑）之間的距離，減小電容的不連續(xù)性。在筆者的項(xiàng)目中多采用介質(zhì)均勻、銅箔寬度控制精確的ROGERS板材也有效提高了焊盤的加工精度。

通過仿真對比一下ROGERS板材做精確隔層處理前后的信號完整性。

圖5：做隔層處理前的TDR

圖6：做隔層處理后的TDR

圖5圖6對比，發(fā)現(xiàn)未處理之前阻抗的跳躍很明顯，隔層處理后的阻抗改善很多，幾乎沒有任何階躍與不連續(xù)。

圖7：做隔層處理前的回波損耗

　　　　　　　　　　圖8：做隔層處理后的回波損耗

圖7圖8對比，在用ROGERS板材做隔層處理之后，相比未做隔層處理回波損耗下降到-30dB之內(nèi)，大大降低了回波損耗，保證了信號傳輸?shù)耐暾?/span>

綜上，想要搞定高頻電路中這顆“致命”的AC耦合電容，不僅要做足電路設(shè)計(jì)上的功課，同時，選擇性能更好的高頻PCB板材料會讓你事半功倍。