AC耦合电容位置的影响

我是Sig008,从事信号、电源完整性工作,喜欢钻研,喜欢交流,今后会多把一些理论知识以简单易懂的方式梳理出来,供大家一起交流;

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上期文章说到,电容焊盘对整个无缘通道的影响,仿真观察了焊盘大小,焊盘参考层掏空尺寸,以及具体参考哪一层。

 单从焊盘这一点来看,可以看到阻抗一般会比较小,但是对信号未必造成比较大的影响,可问题就在于,整个链路的阻抗不连续点不止这一处;

 比如,信号BGA处的焊盘,扇出孔,都是阻抗不连续处,那么这个地方和电容的焊盘就会互相影响,我们来看S参数:

可以看到,红色为仅有电容焊盘时的反射,在与扇出孔联系后会变得更差(蓝色),他们之间的距离越大,S11越差(粉色);

 下面看一下TDR:

只有电容焊盘时的TDR

 扇出孔和电容焊盘之间走线为60mil

扇出孔和电容焊盘之间走线为600mil

 

那么,此时对于信号的影响是什么样的呢,来看一下对于5Gbps速率的信号:

发送端信号

发送端信号频谱

当电容焊盘距离扇出孔间距为60mil,对应S11曲线中的蓝色曲线,此时,在信号基频,2.5GHz及其谐波受到第一个反射峰值的影响,反射在-10dB左右,不是很大,因此波形受到了一些影响,波形图如下:

扇出孔和电容焊盘距离为60mil

当电容焊盘距离扇出孔间距为600mil时,对应上面的S11曲线中的粉色曲线,此时,在信号基频,2.5GHz及其谐波受到前三个反射峰值的影响,反射在-10dB到-5dB左右,比较大了,因此波形受到了一些影响,波形图如下

扇出孔和电容焊盘距离为600mil

可以看到,此时,对5Gbps信号已经略有影响了,而且,当电容位置距离扇出孔更远时,信号更差;

此时,似乎信号仍然是比较好的,完全可以接受的,但是要注意,此时只考虑了,电容焊盘和扇出孔的影响,还有损耗、其他反射、串扰、抖动、连接器等诸多因素没有考虑,我们需要做的是优化好每一步;

 继续看10Gbps信号:

发送端信号

发送端信号频谱

电容焊盘距离扇出孔间距为60mil时,对应S11曲线中的蓝色曲线,此时,在信号基频,5GHz及其谐波受到第一个和第二个反射峰值的影响,基频反射在-10dB左右,不是很大,而10GHz到20GHz这一段频率分量反射则有-2dB左右,因此波形有一些高频噪声,波形图如下:

 扇出孔和电容焊盘距离为60mil 电容焊盘距离扇出孔间距为600mil时,对应上面的S11曲线中的粉色曲线,此时,在信号基频,5GHz及其谐波受到很多个反射峰值的影响,基频反射在-5dB左右,比较大了,而10GHz到20GHz这一段频率分量反射则有-2dB左右,因此波形不仅有高频噪声,还有一些变形,波形图如下:

扇出孔和电容焊盘距离为600mil

下面看25Gbps信号:

发送端信号

发送端频谱

电容焊盘距离扇出孔间距为60mil时,对应S11曲线中的蓝色曲线,此时,在信号基频,12.5GHz及其谐波受到第一个和第二个反射峰值的影响,基频反射在-5dB左右,比较大了,而25GHz到40GHz这一段频率分量反射则有-1dB左右,非常大,因此波形有比较大的高频噪声,而且波形变形比较厉害,波形图如下:

扇出孔和电容焊盘距离为60mil

电容焊盘距离扇出孔间距为600mil时,对应S11曲线中的粉色曲线,此时,在信号基频,12.5GHz及其谐波受到多个反射峰值的影响,基频反射在-2dB左右,非常大了,而25GHz到40GHz这一段频率分量反射则有-1dB左右,非常大,因此波形有比较大的高频噪声,而且波形变形比较厉害,波形图如下:

扇出孔和电容焊盘距离为600mil

至此,我们分别对比了通道特性,不同速率信号波形,我们可以看到,电容位置的影响至关重要,不可忽视;

 接下来,我们再来观察,当电容距离扇出线600mil时,把电容焊盘阻抗优化好,那么结果如下:

蓝色为焊盘优化后

扇出孔和电容焊盘之间走线为600mil(过孔和扇出线阻抗都优化好了)

 下面是波形:

10Gbps

25Gbps

可见,在电容焊盘阻抗优化好之后,适当的放置远一点也是可以的。

最后,对于信号通过电容后的影响做一个小结。

 结论:

  • 1、信号AC耦合电容的作用有隔直流,电流防护等;
  • 2、信号通过AC耦合电容,相当于过了一个带通滤波器,对于相当宽频的一个频段来说,不受影响;
  • 3、电容焊盘处,阻抗偏低,电容焊盘越大,阻抗越低;
  • 4、可以通过将电容焊盘下方参考层掏空来抬高阻抗;
  • 5、掏空尺寸越大,阻抗越大;
  • 6、电容焊盘距离参考层越远,阻抗越大;
  • 7、电容位置对整个链路的频域特性有影响,距离越远,频域特性越差;
  • 8、最后,不要觉得某一项因素不构成致命影响就不管了,多个这种因素加到一起可能就影响大了。

 

大家平时都是怎么处理电容这里的,可以不吝赐教,在下方评论区讨论,我会整理大家的内容,发布出来,以供大家借鉴。

仿真眼图拓扑图

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