Конденсатори для з'єднання змінного струму для швидкодіючих диференціальних інтерфейсів

Чи можете ви пояснити мені, чому і куди мені слід поставити конденсатори, що з'єднують змінного струму (зазвичай близько 0,1 мкФ) на високошвидкісних (1 ... 5 ГГц) диференційні послідовні інтерфейси (як SerDes для модулів SFP Gigabit Ethernet)?

З того, що я прочитав, кришки слід розміщувати якомога ближче до штифтів приймача. Будь-які легітимні посилання вітаються.

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


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

Заздалегідь спасибі

ОНОВЛЕННЯ:

Отримав відповідь від виробника ІС, і він порадив мені поставити кришки ближче до передавача. Тож здається, що фактичне місце залежить від того, як працює конкретна ІС. Деякий час тому була зовсім протилежна порада іншого виробника.

З'єднувальні конденсатори зазвичай розміщують близько до джерела передавача.

Йдучи разом з доктором Джонсоном, нам потрібно визначити відстань. Швидкість поширення сигналів на більшості типів плати FR4 становить приблизно c / 2. Це дорівнює приблизно 170ps на дюйм для внутрішніх шарів і більше, як 160 ps на дюйм для зовнішніх шарів.

Використовуючи стандартний інтерфейс, що працює на швидкості 2,5 Гбіт / с, інтервал одиниці становить 400ps, тож відповідно до цього ми повинні бути набагато меншими, ніж 200 к.с. від передавача. Якщо цей інтерфейс був реалізований в ІС, то вам потрібно пам’ятати, що дроти зв'язку є частиною цієї відстані. Нижче - трохи більш поглиблений погляд на проблему.

На практиці з'єднувальні пристрої розміщуються максимально близько до пристрою передавача. Це місце природно змінюється залежно від пристрою.

Тепер конденсатор. Це пристрій RLC з такою швидкістю, і більшість пристроїв значно перевищують саморезонанс у багатогігабітних додатках. Це означає, що у вас може бути значний опір, який перевищує лінію електропередачі.

Для довідки, самоіндуктивність для кількох розмірів пристрою: 0402 ~ 0.7nH 0603 ~ 0.9nH 0805 ~ 1.2nH

Щоб вирішити проблеми з пристроями з високим опором (основна проблема в PCI express через характер тренувань по каналах зв'язку), ми іноді використовуємо так звані пристрої зворотної геометрії, оскільки самоіндуктивність деталей значно нижча. Зворотна геометрія - це саме те, що говорить: Пристрій 0402 має контакти 04 один від одного, де пристрій 0204 використовує 02 як відстань між контактами. Частина 0204 має типове значення самоіндуктивності 0,3nH, що значно знижує ефективний опір пристрою.

Тепер до цього розриву: він буде виробляти роздуми. Чим далі відбиття, тим більший вплив на джерело (і втрати енергії див. Нижче) в межах відстані 1/2 1/2 часу переходу сигналу; крім цього мало значення.

На відстані 1/2 часу переходу або далі від джерела відображення можна обчислити, використовуючи рівняння коефіцієнта відбиття ([Zl - Zs] / [Zl + Zs]). Якщо відображення генерується ближче таким чином, що ефективне віддзеркалення нижче за це, ми ефективно знизили коефіцієнт відбиття і зменшили втрачену енергію. Чим ближче будь-яке відоме відображення може бути розташоване відносно передавача, тим менший вплив на систему він матиме. Це є причиною того, що розривні віаси під пристроями BGA з високошвидкісними інтерфейсами робляться якомога ближче до кулі. Вся справа в зменшенні ефекту віддзеркалень.

Як приклад, якщо я розміщую конденсатор з’єднання (для 2,5 Гбіт / с посилання) на 0,1 дюйм від джерела, то відстань дорівнює часу 17ps. Оскільки час переходу цих сигналів, як правило, обмежується не швидше 100 пікосекунд, тому коефіцієнт відбиття становить 17%. Зауважимо, що цей час переходу дорівнює артефактам сигналізації 5 ГГц. Якщо ми розмістимо пристрій далі (за межами часу переходу / 2) і використаємо типові значення для 0402 100nH, у нас Z (cap) = 22 Ом, Z (доріжка) близько 50 Ом, і тому ми маємо відображення коефіцієнт близько 40%. Фактичне відображення буде гірше за рахунок колодок пристрою.

По-перше, чому б ви використовували змінне з'єднання? Від д-ра Джонсона ось три поширені причини, які ви можете використати:

• Зміна рівня зміщення постійного струму при з'єднанні логічних сімей з різними порогами комутації.
• Забезпечити знімний інтерфейс, який може бути коротко заземлений без пошкодження вихідних драйверів.
• У поєднанні з диференціальною сигналізацією та з'єднанням трансформаторів підключити коробки без необхідності з'єднання постійного струму між двома шасі виробу.

Середній варіант є однією з головних причин, що ми робимо це, наприклад, зі знімними картами pcie.

Тепер де розмістити. Будь-який конденсатор з'єднання змінного струму, розміщений у вашій сигнальній лінії, буде нижчим током опору, і це спричинить негативне відображення до джерела. Повернеться чи ні це віддзеркалення, а потім заважатиме іншим бітам, визначається швидкістю вашого сигналу та відстані цієї точки відбиття від вашого передавача.

Знову з іншого прикладу Джонсона він пропонує, щоб уникнути цього ISI, слід розміщувати шапки в межах «набагато менше 1/2 інтервалу бод». Враховуючи приклад зв’язку serdes 10Gbps з бітовим часом 100ps, він припускає, що це дало б відстань менше 100mils. Потім він пояснює, як можна зменшити паразитарну ємність кришок і їх низьку точку відбиття імпедансу.

Якщо розширити цю схему мислення до 1,5 Гбіт / с з невеликим часом 667ps, це трохи часу, що становить приблизно 4 або 5 дюймів, і 10-го, що отримує близько пів-дюйму. Це здається мені досить консервативним, але це, мабуть, суть. На практиці я поставив блокуючі ковпачки для pcie прямо на роз'ємі, але знову ж таки, я збиваю точку відбиття ковпачків за допомогою з'єднувача.

Ваше запитання справді пов'язане з теорією лінії електропередачі та способом роботи роздумів. Прочитавши це, можливо, зробивши деякі симуляції, якщо у вас є доступ до інструменту, або простий експеримент на дошці з кришками в різних місцях повинен допомогти визначити найкращий підхід для вашої програми.

Чому б ви додали конденсатори для змінного струму до швидкісних сигналів? Вони додають розриви опору, які можуть лише пошкодити цілісність сигналу (?).

ПРИЧИНА, що з'єднання змінного струму використовується у високошвидкісній сигналізації (USB3 / PCIe / DisplayPort / ...), полягає в тому, що виробники ІС можуть мати різні джерела живлення, які краще відповідають їх архітектурі.

Наприклад, у HDMI є 4 диференціальні пари. Кожен сигнал закінчується від 50 Ом до 5В. Якщо ви розробляєте ІМС з HDMI, тоді ви також повинні мати 5В живлення. Це серйозна біль у дупі, яка додає додаткових витрат і складності.

DisplayPort використовує з'єднання змінного струму для сигналів високої швидкості, щоб кожен виробник ІС міг використовувати те, що коли-небудь джерело живлення найкраще відповідає їх потребам.

З'єднання змінного струму має власний набір проблем. На додаток до розривів, які додає конденсатор з'єднання змінного струму, зазвичай потрібна якась ініціалізація / балансування (як правило, рядок 0 і 1), щоб переконатися, що зміщення постійного струму вилучено з лінії до початку зв'язку. Після того, як комунікація розпочнеться, потрібно подбати про те, щоб лінія була збалансована, надсилаючи однакову кількість "0" та "1". (див. кодування 8b / 10b)

1) Спершу слід обчислити загальний опір конденсатора за формулою:

Значення ESR та ESL надаються виробниками (або просто використовують криву опору в таблиці, щоб знайти імпеданс на частоті, що цікавить). Хороший керамічний ковпачок з низьким вмістом ESL може мати близько 0,5 Ом на 1 ГГц.

2) Якщо значення набагато менше, ніж характерний опір лінії, не має значення, де ви ставите його на лінію: на передавачі чи приймачі.

Якщо додавати конденсатор поблизу RX, якщо імпеданс невеликий, він є послідовно із закінчуючим резистором (або яким би він не був у RX) ​​і не повинен істотно впливати на цілісність сигналу (50 Ом + 0 Ом = 50 Ом).

3) Ідеальне розташування ковпачка знаходиться на TX, оскільки відбитий сигнал "додаватиметься" до переданого сигналу. Хоча у випадку позиціонування на RX, відбитий сигнал може додавати до наступного символу (залежить від затримки в рядку), створюючи ISI.

Таким чином, загалом вимоги до положення (у TX або RX) залежать від частоти, що цікавить, та загального опору конденсатора на цій частоті.

У вашому випадку Z може бути не набагато меншим, ніж Z0. Для 1 ГГц індуктивний реактивний коефіцієнт може бути близько 6 Ом (за умови, що 1 нВ ESL, L * 2 * pi * f). Отже, для таких високих частот (1 ГГц і вище) кришка повинна ідеально розташовуватися поблизу TX, а не поблизу RX.

Але для нижчих частот, коли опір конденсатора можна знехтувати (відносно Z0), конденсатор може бути поставлений на сторону RX (як це робиться іноді на практиці) без матеріального збитку для цілісності сигналу.

ОНОВЛЕННЯ
Для випадку "малого" Z зрозуміло зверху.

У випадку "великого" Z розширеним правилом було б:
- для припинення джерела поставте конденсатор зв'язку на приймачі.
- для припинення навантаження розмістіть на передавачі конденсатор зв'язку.
- для завершення джерела навантаження (подвійного) припинення це не має значення.

Зокрема, у випадку припинення джерела рекомендація розміщувати конденсатор роз'єднання на передавачі помилкова . Z знаходиться в серії з Z0 (додається до нього). Існує прямий негативний вплив на рефлексію. Хоча якщо Z знаходиться на приймачі (якщо припустити його близький), негативного ефекту немає (Z додається до великого опору навантаження, Z + нескінченність = нескінченність).