SerDes系列之如何选择AC耦合电容
交流耦合电容用于隔离PCB互连时的直流分量(Common-mode voltage),同时传递交流分量(Voltage swing),其作用类似于一个高通滤波器。
但是,如果电容容值选取不当,使用过程中会产生信号质量问题,典型的应用场景:当包含相同的长串1或0的NRZ数据应用于该高通滤波器时(如图所示的“Long Consecutive Bit Stream”),会发生低频电压跌落(LF Droop),导致低频模式相关抖动(PDJ)。
此时,应正确设置该滤波器3 dB截止频率的位置,一阶RC高通滤波器的阶跃响应可以表示为:
式中,V0+表示初始充电电压,V∞表示最终工作电压。
而上述的长串1和0(称之为“运行长度”),将带来RC衰减,会导致信号幅值的降低,使得眼图闭合,因此,一个量值足够大的电容将有助于让信号的幅值保持不变,换言之,运行长度是一个影响信号抖动的重要参数。
假设V0+ = 0.5Vp-p、V∞ = 0、R=50ohm,上式可改写为:
式中,∆V为时间t时刻的电压降,τ为时间常数。
假设电压降带来的电平退化为0.25dB,则∆V/Vp-p = 6%,上式可写为:
如果Tb表示单数据bit的周期,NCID表示最大可容忍的运行长度,可粗略地利用下式进行耦合电容C的估算:
由上述的LF Droop引起的PDJ估算公式表示如下:
式中,tr是NRZ数据的上升时间(20%到80%),对于一阶系统,上升时间可以估计为tr = 0.22/BW。
假设Tb=0.1ns, NCID=5bits, R=50ohm, tr=50ps,则C=78pF, PDJ=5ps,如果需要进一步降低PDJ,则可以增大C,实际的高速应用中所采用的电容值一般在0.1uF~0.01uF之间。
值得注意的是,在高速差分传输应用中,交流耦合只推荐用于直流平衡信号,直流平衡取决于一组数据中1和0的绝对数量之间的差异大小,如果1和0的总数相等,则认为是交流平衡的,这点很重要,因为在使用交流耦合电容时,电流仅仅在电压电平状态切换时流入接收器,如果没有切换,两个接收器端子上的电荷将缓慢地向同一个量值衰减,从而减小了噪声裕量。
各种编码方案,如常见的8b/10b,就可以确保高水平的直流平衡。