고속 차동 인터페이스를위한 AC 커플 링 커패시터

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AC 커플 링 커패시터 (일반적으로 약 0.1uF)를 고속 (1 ... 5 GHz) 차동 직렬 인터페이스 (기가비트 이더넷 SFP 모듈 용 SerDes 등)에 배치해야하는 이유 와 위치 를 설명해 주 시겠습니까?

내가 읽은 것으로부터 캡은 가능한 한 수신기 핀에 가깝게 배치해야합니다. 모든 적법한 참조는 환영합니다.

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


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

미리 감사합니다

최신 정보:

IC 제조업체의 답변을 받았으며 캡을 트랜스미터에 더 가까이 두라고 조언했습니다. 따라서 실제 위치는 특정 IC의 작동 방식에 따라 달라집니다. 얼마 전에 다른 제조업체의 조언이 완전히 반대되었습니다.

serial decoupling-capacitor decoupling

— 콘스탄틴
소스

읽은 내용이 부정확하거나 불완전하다고 믿을만한 이유가 있습니까?

— Nick Johnson

이와 같은 고속의 경우 데이터 시트에는 권장 구성 요소 배치 또는 설계 안내서가 포함되어있을 가능성이 높습니다.

— efox29

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또한 이러한 종류의 속도를 다루고 있고 커패시터 배치가 확실하지 않은 경우 더 많은 문제가 있다고 생각합니다. 이러한 속도 (및 이러한 속도를 달성하기 위해)에는 설계 (배치, 구성 요소, 크기, 보드 스택 업, 임피던스, pdn)에 들어가는 것이 더 많습니다.

— efox29

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이들은 서로 다른 칩 간의 공통 전압 차이를 제거하기위한 AC 커플 링 커패시터입니다.

— user19579

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일반적으로 수신기 또는 송신기 근처에 배치 할 수 있습니다. 중간에 배치하면 여러 번의 반사로 인해 문제가 발생할 가능성이 높습니다. AFAIK, 한쪽 또는 다른쪽에 배치하는 것을 선호 할 이유가 없습니다.

— Photon

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커플 링 커패시터는 일반적으로 트랜스미터 소스에 가깝게 배치됩니다.

존슨 박사와 함께 거리를 알아 내야합니다. 대부분의 FR4 유형 보드에서 신호의 전파 속도는 약 c / 2입니다. 이는 내부 레이어의 경우 인치당 약 170ps, 외부 레이어의 경우 인치당 160ps와 같습니다.

2.5Gb / sec로 실행되는 표준 인터페이스를 사용하면 단위 간격은 400ps이므로 트랜스미터에서 200ps 미만으로 떨어져 있어야합니다. 이 인터페이스가 IC에서 구현 된 경우 본드 와이어가이 거리의 일부임을 기억해야합니다. 아래는이 문제에 대한 좀 더 심층적 인 내용입니다.

실제로, 커플 링 장치는 송신기 장치에 가능한 한 가깝게 배치된다. 이 위치는 장치에 따라 자연스럽게 다릅니다.

이제 커패시터. 이것은 이러한 속도의 RLC 장치이며 대부분의 장치는 다중 기가비트 응용 프로그램에서 자기 공명보다 훨씬 뛰어납니다. 이것은 전송 라인보다 높은 임피던스를 가질 수 있음을 의미합니다.

참고로 몇 가지 장치 크기에 대한 자체 인덕턴스 : 0402 ~ 0.7nH 0603 ~ 0.9nH 0805 ~ 1.2nH

높은 임피던스의 장치 문제 (링크 훈련의 특성으로 인한 PCI Express의 주요 문제)를 해결하기 위해 부품의 자체 인덕턴스가 현저히 낮기 때문에 소위 리버스 지오메트리 장치를 사용하기도합니다. 리버스 지오메트리의 의미는 다음과 같습니다. 0402 장치의 접점 04는 0204 장치의 02를 접점 간 거리로 사용합니다. 0204 부품은 일반적인 자기 인덕턴스 값이 0.3nH이므로 장치의 유효 임피던스를 크게 줄입니다.

이제 그 불연속성까지 : 그것은 반사를 일으킬 것입니다. 반사가 멀어 질수록 신호 전이 시간의 1/2 거리 범위 내에서 소스에 미치는 영향 (및 에너지 손실, 아래 참조)이 커집니다. 그 이상의 차이는 거의 없습니다.

전이 시간의 1/2 또는 소스로부터 더 떨어진 거리에서, 반사 계수 방정식 ([Z1-Zs] / [Z1 + Zs])을 사용하여 반사를 계산할 수 있습니다. 유효 반사가 이보다 낮도록 반사가 가까워지면 반사 계수를 효과적으로 줄이고 손실 에너지를 줄입니다. 송신기와 관련하여 알려진 반사가 가까이있을수록 시스템에 미치는 영향은 줄어 듭니다. 이것이 고속 인터페이스를 갖춘 BGA 장치에서 브레이크 아웃 비아가 가능한 한 공에 가깝게 수행되는 이유입니다. 반사의 영향을 줄이는 것입니다.

예를 들어, 커플 링 커패시터 (2.5Gb / sec 링크 용)를 소스에서 0.1 인치에 배치하면 거리는 17ps의 시간과 같습니다. 이들 신호의 천이 시간은 일반적으로 100 피코 초 이하로 제한되므로, 반사 계수는 17 %이다. 이 전이 시간은 5GHz 신호 아티팩트와 동일합니다. 장치를 더 멀리 (전이 시간 / 2 한계를 넘어) 배치하고 0402 100nH에 대한 일반적인 값을 사용하면 Z (cap) = 22 ohms, Z (track) 약 50 ohms이므로 반사됩니다 약 40 %의 계수. 장치 패드로 인해 실제 반향이 악화됩니다.

— 피터 스미스
소스

피터, 먼저 답변 주셔서 감사합니다! 내가 캡에 TX에 더 가까이 배치하면 커패시터가 이러한 주파수에서 이상적인 장치가 아니기 때문에 반사로 인한 영향을 줄입니다. 커패시터의 직렬 연결 (내 질문 에서처럼)에 해당합니까? 두 IC에 동일한 접지 전원이있는 경우 이러한 직렬 커패시터가 필요한 이유는 무엇 입니까?

— Konstantin

안녕하세요 Konstantin. 두 IC는 동일하지 않습니다

— Peter Smith

그 의견을 고치기 위해. 전이 속도 (5GHz 아티팩트)에서 소스와 대상의 유효 접지는 동일하지 않습니다 (접지는이 속도에서 분산 요소입니다). 송신기에서 출력 공통 모드 전압이 수신기에서 허용 가능한 범위에 있지 않을 수도 있다는 사실도있다.

— 피터 스미스

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먼저 왜 AC 커플 링을 사용 하시겠습니까? 에서 박사 존슨 여기에 당신이 그들을 사용할 수있는 세 가지 일반적인 이유는 다음과 같습니다

다른 스위칭 임계 값으로 로직 제품군을 상호 연결할 때 DC 바이어스 레벨을 변경합니다.
출력 드라이버를 손상시키지 않고 접지로 단락 될 수있는 제거 가능한 인터페이스를 제공합니다.
차동 신호 및 변압기 커플 링과 함께 사용하면 두 제품 섀시간에 DC 연결없이 박스를 연결할 수 있습니다.

중간 옵션은 예를 들어 이동식 pcie 카드를 사용하는 주요 이유 중 하나입니다.

이제 어디에 배치해야합니까? 신호 라인에 배치 한 모든 AC 커플 링 커패시터는 더 낮은 임피던스 포인트가되어 소스에 부정적인 반사를 일으 킵니다. 이 반사가 다시 발생하여 다른 비트를 방해하는지 여부는 신호의 속도와이 반사점과 송신기의 거리에 따라 결정됩니다.

또 다른 Johnson 예제 에서이 ISI를 피하기 위해 캡을 "보드 간격의 1/2보다 훨씬 작은"범위 내에 배치해야한다고 제안합니다. 비트 시간이 100ps 인 10Gbps serdes 링크의 예에서 100mils 미만의 거리를 제공 할 것을 제안합니다. 그런 다음 캡의 기생 커패시턴스와 낮은 임피던스 반사점을 어떻게 줄일 수 있는지 더 설명합니다.

이 사고 범위를 약 4 또는 5 인치의 비트 시간 인 667ps의 비트 시간으로 1.5Gbps로 확장하고 10 분의 1을 차지하면 약 0.5 인치가됩니다. 그것은 상당히 보수적 인 것처럼 보이지만 아마도 요점 일 것입니다. 실제로 커넥터에 pcie 용 블로킹 캡을 넣었지만 다시 커넥터에 캡의 반사 지점을 집중시킵니다.

귀하의 질문은 실제로 전송선 이론 및 반사가 작동하는 방식과 관련이 있습니다. 툴에 액세스 할 수있는 경우 시뮬레이션을 수행하거나 다른 위치에서 캡을 사용한 간단한 보드 실험을 수행하면 애플리케이션에 가장 적합한 방법을 결정하는 데 도움이됩니다.

— 일부 하드웨어 가이
소스

나는 존슨 박사의 이유에 동의하지만 전이 이론에 관한 당신의 결론에 동의하지 않습니다. 커패시터 (Zc)의 임피던스는 1 / jwC입니다. 10GHz에서 0.1uF 캡의 임피던스는 1 옴입니다. 50, 100 또는 85ohm 신호의 경우 상당히 중요하지 않습니다. 재료 선택 및 커넥터에서 더 큰 임피던스 변화를 얻을 수 있습니다. 또한이 임피던스는 고차 고조파에 대해서만 감소합니다. 이러한 이유로 우리는 디지털 터미네이션 제어를위한 저항을 선호합니다. 커패시터가 아닙니다.

— lm317

예 ... 그러나 저항을 사용하여 dc를 차단할 수 있습니까? 그것은 어쨌든 종료 방식으로 기능하지 않는이 접근법의 요점입니다.

— 일부 하드웨어 가이

전환 선이 어떻게 작동하는지에 대한 나의 요점은 op가 불연속으로 인해 임피던스 불연속이 어떻게 반사를 유발하는지 이해하면 왜 이러한 캡을 tx에 더 가깝게 배치해야 하는지를 더 직관적으로 파악할 수 있다는 것입니다.

— 일부 하드웨어 가이

우리는 같은 주장을 할 수도 있습니다. 잘 모르겠습니다. 우리는 저항기와 커패시터가 자체 목적을 가지고 있으며 어느 것도 대체하지 않는다는 것에 동의합니다. 커패시터는 무시할만한 반사 효과가 있다고 생각하기 때문에 라인에서의 위치는 중요하지 않습니다.

— lm317 2016 년

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아 네, 아마도 우리가 동의하지 않는 부분은 속도에 달려 있습니다. 이상적인 커패시터는 아니지만 보드의 물리적 구조이며 기준면에 기생 용량이 있고 연결 트레이스보다 임피던스가 낮은 장착 패드가 있습니다. 물리적 캡 자체도, 임피던스는 V.처럼 보이지 않는 것 모자, 그렇지 않으면 플롯 아니라 물리적 구조 및 설치에서와 같은 유도하고 작은 저항 구성 요소가

— 일부 하드웨어 가이

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고속 신호에 AC 커플 링 커패시터를 추가하는 이유는 무엇입니까? 신호 불완전 성을 손상시킬 수있는 임피던스 불연속성을 추가합니다 (?).

AC 커플 링이 고속 신호 (USB3 / PCIe / DisplayPort / ...)에 사용되는 이유는 IC 제조업체가 아키텍처에 더 적합한 다른 전원 공급 장치를 가질 수 있도록하기위한 것입니다.

예를 들어 HDMI에는 4 개의 차동 쌍이 있습니다. 각 신호는 50Ω ~ 5V로 종료됩니다. HDMI를 사용하여 IC를 설계하는 경우 5V 공급 장치도 있어야합니다. 이것은 추가 비용과 복잡성을 추가하는 심각한 고통입니다.

DisplayPort는 고속 신호에 AC 커플 링을 사용하므로 각 IC 제조업체는 자신의 요구에 가장 적합한 전원 공급 장치를 사용할 수 있습니다.

AC 커플 링에는 고유 한 문제가 있습니다. AC 커플 링 커패시터가 추가하는 불연속성 외에도, 통신이 시작되기 전에 DC 오프셋이 라인에서 제거되도록하기 위해 일반적으로 일종의 초기화 / 밸런싱이 필요합니다 (보통 0과 1의 문자열). 통신이 시작되면 같은 수의 0과 1을 전송하여 회선의 균형을 유지하도록주의를 기울여야합니다. (8b / 10b 인코딩 참조)

— 아 브리 엔
소스

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1) 먼저 공식을 사용하여 커패시터의 총 임피던스를 계산해야합니다.

ESR 및 ESL 값은 제조업체에서 제공합니다 (또는 데이터 시트에서 임피던스 곡선을 사용하여 관심 주파수에서 임피던스를 찾습니다). 우수한 저 ESL 세라믹 캡은 1GHz에서 약 0.5 Ohm을 가질 수 있습니다.

2) 값이 라인의 특성 임피던스보다 훨씬 작 으면 전송기 또는 수신기에서 라인의 어느 위치에 놓아도 상관 없습니다.

RX 근처에 커패시터를 추가 할 때 임피던스가 작 으면 종단 저항 (또는 RX에있는 것)과 직렬로 연결되며 신호 무결성 (50 Ohm + 0 Ohm = 50 Ohm)에 실질적으로 영향을 미치지 않아야합니다.

3) 반사 된 신호가 전송 된 신호에 "합산"하기 때문에 캡의 이상적인 위치는 TX에 있습니다. RX에 포지셔닝하는 동안, 반사 된 신호는 ISI를 생성하는 다음 심볼 (라인의 시간 지연에 따라 다름)까지 합산 될 수있다.

따라서 일반적으로 위치 요구 사항 (TX 또는 RX)은 관심 주파수 및 해당 주파수의 총 커패시터 임피던스에 따라 다릅니다.

귀하의 경우 Z는 Z0보다 크게 작을 수 없습니다 . 1GHz의 경우 유도 성 리액턴스 만 약 6 옴 (1nH ESL, L * 2 * pi * f로 가정) 일 수 있습니다. 따라서 이러한 고주파수 (1GHz 이상)의 경우 캡은 RX가 아닌 TX 근처에 이상적으로 위치해야합니다.

그러나 더 낮은 주파수의 경우, 커패시터 임피던스가 무시 될 수있는 경우 (Z0에 상대적으로), 신호 무결성에 대한 재료 손상없이 커패시터가 RX 측 (실제로 수행되는 것처럼)에 놓일 수 있습니다.

업데이트
"작은"Z의 경우 위에서 명확합니다.

"큰"Z의 경우 강화 된 규칙은 다음과 같습니다
.-소스 종단의 경우 수신기에 커플 링 커패시터를 배치합니다.
-부하 종단을 위해 송신기에 커플 링 커패시터를 배치하십시오.
-로드 소스 (이중) 종료의 경우 중요하지 않습니다.

특히, 소스 종단의 경우에, 추천 송신기에서 디커플링 커패시터가 배치 잘못된 . Z는 Z0과 직렬로 연결됩니다 (추가). 반사에 직접적인 부정적인 영향이 있습니다. Z가 수신기에 있으면 (가까운 것으로 가정) 부정적인 영향은 없습니다 (Z는 일부 큰 부하 저항에 추가됨, Z + 무한대 = 무한대).

— 세르게이 고르비 코프
소스