案例分析:高頻電路設計中耦合電容的重要性

2021-01-18 今日光電

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正確理解AC耦合電容

在高頻電路設計中，經常會用到AC耦合電容，要麼在晶片之間加兩顆直連，要麼在晶片與連接器之間加兩顆。看似簡單，但一切都因為信號的高速而不同。信號的高速傳輸使這顆電容變得不「理想」，這顆電容沒有設計好，就可能會導致整個項目的失敗。因此，對高速電路而言，這顆AC耦合電容沒有優化好將是「致命」的。

下面筆者依據之前的項目經驗，盤點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，就是濾除信號的直流分量，使信號關於0軸對稱。既然是這個作用，那麼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。

這裡拿一個項目中常遇到的典型通路來分析。


圖1：AC耦合電容典型通路


在低速電路設計中，這顆電容可以等效成理想電容。而在高頻電路中，由於寄生電感的存在以及板材造成的阻抗不連續性，實際上這顆電容不能看作是理想電容。這裡信號頻率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於放在發送端。我的理解是這樣的，非理想電容器阻抗不連續，信號經過通道衰減後反射的能量會小於直接反射的能量，所以絕大多數串行鏈路要求這顆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規範發現如果是兩個板通常放置在發送端上，此時還利用到了AC耦合電容的另外一個作用——過壓保護。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，那麼AC耦合電容C的選取將會關係到時間常數（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。


圖4：AC耦合電容增大後測量到的眼圖


同樣的位置，與圖3相比可以看出增大耦合電容後，眼高變低。原因是「高速」使電容變的不理想。感應電感會產生串聯諧振，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，相應的JITTER也會增大。

通常建議AC耦合電容在0.01uf~0.2uf之間，項目中0.1uf比較常見。推薦使用0402的封裝。

最後，解決了以上兩個問題，再從PCB設計上分析一下這顆電容的優化設計。實際在項目中，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徵阻抗的路徑傳播，如果遇到阻抗失配或者不連續的情況時，部分信號會被反射回發射端，造成信號的衰減，影響信號的完整性。項目中，這種情況通常會出現在焊盤或者是板載連接器處。筆者最初涉及的高速電路設計時，經常遇到這個問題。

解決這個問題要從兩個方面入手。首先在板材的選取上，我們在應用中通常選用高性能的ROGERS板材，ROGERS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性；然後在消除焊盤處的寄生電容上，業內常見的辦法是在焊盤處做隔層處理（挖空位於焊盤正下方的參考平面區域，在內層創建銅填充），通過增大焊盤與其參考平面（或者是返迴路徑）之間的距離，減小電容的不連續性。在筆者的項目中多採用介質均勻、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後的信號完整性。


圖5：做隔層處理前的TDR



圖6：做隔層處理後的TDR


圖5圖6對比，發現未處理之前阻抗的跳躍很明顯，隔層處理後的阻抗改善很多，幾乎沒有任何階躍與不連續。


圖7：做隔層處理前的回波損耗（下圖）



圖8：做隔層處理後的回波損耗


圖7圖8對比，在用ROGERS板材做隔層處理之後，相比未做隔層處理回波損耗下降到-30dB之內，大大降低了回波損耗，保證了信號傳輸的完整。

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


來源：硬體電路基礎

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