AC耦合电容的选择

若华

经常有工程师纠结着，串行链路中的外接AC耦合电容放驱动端还是接收端好？接2个会有什么影响啊？

我们首先从ac耦合电容的作用切入。一般使用AC耦合电容是为了提供直流偏压。直流偏压就是滤除信号的直流分量，使信号关于0轴对称。

从这个作用看，其实理想电容应该可以放在通道的任何一个地方。做过仿真的工程师也发现仿真结果确实如此。

可是实际电路中的电容并非理想的，有寄生电感的存在，而且焊盘和换层过孔都是阻抗不连续点。那么非理想电容带到仿真里，电容的位置也没有影响吗？我们用2.5G信号来仿真，全通道长度5500mil，ac耦合电容分别距离驱动端和接收端500mil。

上图是电容靠近接收端，下图是靠近发送端，显然电容靠近接收端眼图质量更好。为什么呢？个人认为可以将非理想电容看成一个阻抗不连续点，如果靠近接收端放，相同的反射系数下，信号经过通道衰减之后再反射会比一开始就反射的能量小。所以大多数的串行链路都要求靠接收端放。

有人又问了，可是为什么PCIE是要求放发送端啊？其实仔细看PCIE规范是说如果是两块板连接时，要发在发送的那块板上。如果发送接收在同一块板上，那么就随意吧。

AC耦合电容还有另外一个作用，就是提供过电压保护。所以更多的要求是靠近连接器放置，USB, SATA都是这么要求的。

如果通道中接2个AC耦合电容又会怎样呢？

上图是一个电容，而下图接了两个。明显眼图margin变小了，这也是由于多了一个阻抗不连续点，引起了不必要的反射。
那耦合电容如何选值呢？
我们知道，在串行信号中串个AC耦合电容，这个电容可以提供直流偏压和过电流保护，但也会给链路带了另一个问题PDJ。顾名思义，这和码型有关。我们的链路可以等效成高通RC电路，当出现连续的“1”或“0”时，会出现下图的直流压降，这不仅会影响眼高，还会造成PDJ。


怎样才能减小这个直流压降呢?这和RC时间常数有关，RC值越大，能通过的直流分量就越多，直流压降越小。由于链路中等效R是相对固定的，只能调节耦合电容值了。如下图电容值越大，压降越小。

那就选大电容？ 不是。因为，实际安装后的电容不是理想电容，除了ESR,ESL，还有安装电感，所以就存在一个串联谐振频率。电容在此频率之前呈容性，之后呈感性。电容值越大，谐振频率越小，电容在较低频率就会呈现感性，这样会造成信号高频分量衰减增大，同样会使眼高减小，上升沿变缓，jitter增加。

所以选值时要综合以上两点考量，一般业界都推荐0.01uF~0.2uF，最常见的就是0.1uF的电容。封装的选择不建议使用大于0603的封装，最好是0201的。

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易阳

赞。这就是干货！

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易阳

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yangyabo

不错，我没有看过PCIe和SATA的规范，我觉得楼主的思路是没问题的，首先要弄明白这个电容的作用是什么，然后在考虑它的摆放位置，我认为这个电容的主要作用还是隔离，隔离接收和发送端的DC电平差异，从隔离的角度来说，这个电容自然要放到连接器的位置了，因为连接器是接受和发送的连接点，此处隔离的作用最明显，这是和规范相符的；
如果从信号完整性的角度来说，我的理解是，电容的引入必然会造成阻抗的不连续，从感性上理解，这个阻抗不连续点越靠近发送端，效果应该是越好的，这样发射信号就可以和信号的上升时间叠加，也就看不出明显的反射了，不明白为什么和仿真的结果不一致，还请大侠指点。

若华

yangyabo 发表于 2015-7-15 13:36
不错，我没有看过PCIe和SATA的规范，我觉得楼主的思路是没问题的，首先要弄明白这个电容的作用是什么，然后 ...

从作用上来说，通俗点的确是隔离，允许一定速率范围内的较量信号通过，亦防止接收端和发射端逻辑电平不同（DC）所带来的问题。
从SI角度来说：
1.交流耦合接收端和发射端芯片一般均已经内部阻抗匹配好了，故认为不会引起多次反射；
2.靠近发射端和接收端是看一次发射的影响程度，以及多对差分线之间串扰影响。靠近接收端使发射回远端信号衰减更多，叠加更小。在传输线很长的情况下更明显。  在电容之前的信号包含直流成分，衰减的程度更小，如果只有交流信号的话衰减就很大，会导致接收端难识别交流信号。

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yangyabo

若华 发表于 2015-7-16 09:20
从作用上来说，通俗点的确是隔离，允许一定速率范围内的较量信号通过，亦防止接收端和发射端逻辑电平不同 ...

之前不知道交流耦合接收器和发送器内部都已经做了阻抗匹配，这样的话就不会产生振铃现象，最多是发生一次反射，如果从有直流成分可以加大传输距离的角度来考虑，确实放到接收端理想，这个可以用仿真的验证，看看用无损传输线和有损传输线模型结果会不会一样；不太明白，为什么要引入这种AC耦合呢，接收端和发送端使用相同的电平什么时候会有困难？

若华

yangyabo 发表于 2015-7-25 14:26
之前不知道交流耦合接收器和发送器内部都已经做了阻抗匹配，这样的话就不会产生振铃现象，最多是发生一次 ...

1. 有损和无损传输一定是不同的，你可仿真看看
2.AC耦合对直流耦合的优势另一篇帖子说明了，你可看看。目前芯片IO口都向低电压，逐步大电流的方向发展了。而对于低压的IO口不同的芯片厂不同的芯片的电平是不同的。甚至同一款芯片接口也存在多种电平。 为了在接受发射芯片电平不同的情况下，有效的进行数据传输，故可采用此种方法。当然可电平转换，但是电平转换增加电路复杂性，影响带宽。
3. 你的困难是什么呢？

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yangyabo

若华 发表于 2015-7-27 09:26
1. 有损和无损传输一定是不同的，你可仿真看看
2.AC耦合对直流耦合的优势另一篇帖子说明了，你可看看。 ...

恩，明白点儿了，我开始不知道为什么样引入AC耦合这种方式，谢谢了