誰(shuí)會(huì)關(guān)心高速串行信號(hào)中的隔直電容器到底放到哪呢？

在高速串行電路中，隔直電容放到哪里好呢？一些工程師的回答無(wú)非會(huì)是兩種情況：放到驅(qū)動(dòng)端或者是放到接收端。

有人說放到接收端，原因是：由于信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端通過傳輸線到接收端，期間會(huì)造成衰減，上升時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)，當(dāng)信號(hào)最終到達(dá)接收端的電容時(shí)，大部分的高頻分量已經(jīng)沒有了，反射減少了，因此能有更多的信號(hào)到達(dá)接收端。（時(shí)域）

一個(gè)SI工程師可能會(huì)告訴你：對(duì)于所有的無(wú)源鏈路，鏈路中所有的元素都是互相影響的，整個(gè)拓?fù)湟彩怯嘘P(guān)聯(lián)的，不管信號(hào)是向前傳還是向后傳都是一樣的。因此，跟電容放哪沒關(guān)系。（頻域）

為了解決這個(gè)問題，下邊用簡(jiǎn)單的方法，通過時(shí)域和頻域的數(shù)據(jù)來分析一下這個(gè)問題。以一個(gè)簡(jiǎn)單的拓?fù)錇槔?，其中包括一段較短的傳輸線，一段較長(zhǎng)的傳輸線，幾個(gè)過孔以及靠近其中一端的電容，如圖1所示： 

圖1 簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖（DC隔直電容靠近接收端）

創(chuàng)建每一個(gè)拓?fù)淠Ｐ托枰罅康墓ぷ?，本例中，忽略了?fù)雜的東西，僅使用簡(jiǎn)單的集總模型來解釋這個(gè)概念。所用的理論同與精確復(fù)雜模型的一樣。

圖2顯示了一致、均勻、無(wú)源及因果性的傳輸線的RLGC參數(shù)，傳輸線的特性阻抗為50?，損耗角為0.0016，線寬為3mil，DK值為3.9，傳輸延時(shí)在1G時(shí)大約為173ps/inch。

圖2 傳輸線阻抗（左圖）；傳輸線的延時(shí)（右圖）

過孔賦為簡(jiǎn)單的2pf集總并聯(lián)電容的模型，如圖3所示：

圖3 用并聯(lián)電容表示

最后電容賦的模型是串聯(lián)的R-L，代替內(nèi)部寄生參數(shù)，在每個(gè)末端加上一個(gè)并聯(lián)電容并連到傳輸線上，來表示焊盤和過孔，如圖4所示。

圖4

但是對(duì)于電容模型，去掉其中主要的串聯(lián)電容，這有助于建立仿真的DC路徑及進(jìn)一步的TDR信號(hào)分析。即使這聽起來有點(diǎn)不可思議，但是大部分高速信號(hào)協(xié)議在低于100MHz的時(shí)候都是直流平衡編碼。在這些頻率點(diǎn)以上，在適當(dāng)位置加上串聯(lián)電容或者短路的模型跟圖4中的看起來一樣，并且需要在關(guān)注的頻率點(diǎn)加上寄生電感和限流電容。各部分模型建好后，串聯(lián)起來，現(xiàn)在來回答開始的問題，如圖1，我們需要考慮兩件事：

a．Port-1是驅(qū)動(dòng)端，Port-2是接收端（電容靠近接收端）

b．Port-2是驅(qū)動(dòng)端，Port-1是接收端（電容靠近驅(qū)動(dòng)端）

在Port-1上輸入一個(gè)脈沖，在Port-2上觀察響應(yīng)，然后反向來（在Port-2上輸入信號(hào)，在Port-1上觀察響應(yīng)）。如果第一個(gè)人說的對(duì)，理論上會(huì)有非常大的不連續(xù)，那么我們應(yīng)該可以看到接收端波形的差別。

圖5 時(shí)域脈沖（左圖）；前向和后向損耗（右圖）

這里問題來了，圖5中兩種情況下的結(jié)果基本上沒區(qū)別，意味著對(duì)于這個(gè)拓?fù)浜蛥?shù)來說，電容不論是放到驅(qū)動(dòng)端還是接收端并沒有影響。那么第二種說法呢？S參數(shù)的相關(guān)性（對(duì)于兩端口的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，S21=S12），根據(jù)結(jié)果，在這點(diǎn)時(shí)域的觀點(diǎn)是錯(cuò)的，頻域的觀點(diǎn)是正確的。但是，讓我們?cè)龠M(jìn)一步分析。

圖6顯示了TDR和兩端的回波損耗。通過TDR曲線可以清楚的看到拓?fù)渲械拿恳粋€(gè)部分，Port-2距離隔直電容近，比Port-1的TDR不連續(xù)性大的多，類似，在頻域可以看到Port-2的回?fù)p比Port-1差好多。

由于拓?fù)洳粚?duì)稱，S11不等于S22，可能由于這個(gè)讓人覺得電容的位置會(huì)有影響，但是事實(shí)是，在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，信號(hào)向前傳輸或者是向后傳輸是一樣的，如圖5所示。

圖6 TDR曲線（端口1和2）；回波損耗（S11和S22）

那么電容的位置到底有沒有影響？現(xiàn)在創(chuàng)建一個(gè)拓?fù)?，總長(zhǎng)度保持在11inch，將電容以不同的增量從一端移動(dòng)到中心，理論上我們應(yīng)該看不到區(qū)別。

圖7在接收端觀察到的上升時(shí)間（左圖）；整個(gè)脈沖波形，放大了反射（右圖）

從圖7中可以看到一個(gè)有趣的現(xiàn)象，當(dāng)電容從驅(qū)動(dòng)端移動(dòng)至傳輸線中間時(shí)，可以看到以下現(xiàn)象：

1．接收端的信號(hào)有變化，證明了電容在傳輸線的不同位置結(jié)果是不同的。

2．但是確定了一個(gè)位置時(shí)，不管驅(qū)動(dòng)在左邊還是在右邊，在接收端產(chǎn)生的信號(hào)是相同的。

3．當(dāng)將電容從傳輸線的中心位置移動(dòng)到兩端的時(shí)候，可以觀察到兩端之間的反射脈沖在不同時(shí)刻。

4．當(dāng)隔直電容分別被放到每一端時(shí)，大部分的帶寬都在上升沿，如圖7所示。

事實(shí)上簡(jiǎn)單的看一下諧振的位置，目測(cè)每一個(gè)諧振點(diǎn)的起始位置，就可以找到隔直電容在某一端的大概位置。

圖8 每一類長(zhǎng)度的1/2諧波

圖8中，通過計(jì)算后，到一端的距離為1.3243inch，近似為1inch。3.06inch近似為3inch，5.07inch和6inch近似為5inch。為什么有兩個(gè)點(diǎn)都近似為5inch？當(dāng)把電容放到距離一端5inch的地方時(shí)，它也是距離另一端6inch的地方，因?yàn)榭偟木€長(zhǎng)是11inch。在5inch處，可以看到電容兩側(cè)的1/2諧波。

當(dāng)然這些不連續(xù)脈沖會(huì)繼續(xù)來回幾次直到傳輸線的自然損耗將其衰減。在計(jì)算眼圖時(shí)，這些點(diǎn)會(huì)干擾后續(xù)的部分，最終大大降低接收端眼圖的質(zhì)量。

那么如果傳輸線上有更多的損耗，這些令人厭煩的諧振又會(huì)如何呢？下邊來試一下。

圖9 每一種介質(zhì)損耗的諧振（左圖）；損耗（右圖）

圖9中通過改變介質(zhì)損耗角，可以看一下信號(hào)大體上是如何降低的，但是同樣諧振點(diǎn)較小，在很多情況下，可以利用損耗來衰減諧振點(diǎn)。

接下來再進(jìn)一步的試驗(yàn)，測(cè)試前，需要考慮驅(qū)動(dòng)源及接收端輸入阻抗為50Ohm，完全與傳輸線的阻抗匹配。如果將電容放到驅(qū)動(dòng)端會(huì)發(fā)生什么，同時(shí)改變?cè)炊俗杩?，?0Ohm變到50Ohm，而接收端阻抗保持在50Ohm。

圖10 40ohm和50ohm遠(yuǎn)端阻抗的結(jié)果

從圖10可以看出，正如預(yù)期的那樣，源端阻抗變化時(shí)電壓的穩(wěn)態(tài)值，但是不連續(xù)點(diǎn)的大小總體上并沒有受到太大影響，不過并不是說源端和電容的不連續(xù)點(diǎn)不會(huì)改變信號(hào)的幅度，最終是會(huì)的。傳輸線的不連續(xù)性和兩端的不連續(xù)性之間的差異會(huì)對(duì)上邊提到的1/2諧波幅度產(chǎn)生直接的影響。實(shí)際上是由于該值的不連續(xù)，1/2諧波會(huì)轉(zhuǎn)化成1/4諧波。

在這個(gè)特定的例子下，源端阻抗為40-55歐姆，除了脈沖穩(wěn)定狀態(tài)下的高電平像預(yù)期的一樣變化，從波形的整體上看基本上沒受太大影響。

看一下電容在兩個(gè)不同位置時(shí)所有的差分阻抗，如圖11所示，可以看出影響這些點(diǎn)的主要是電容的位置，不是驅(qū)動(dòng)端的阻抗。

圖11 在源端0.1inch處加電容（左圖）；在源端3inch處加電容（左圖）

如果將里邊的電容都去掉，上邊的仿真拓?fù)涠际菍?duì)稱的，意味著在兩端均有相同數(shù)量的不連續(xù)點(diǎn)，那么問題是如果拓?fù)洳皇蔷鶆虻臅?huì)如何呢？比如在靠近一端處有個(gè)連接器，或者其他東西，為了驗(yàn)證這個(gè)問題，簡(jiǎn)單的將一端的過孔加倍。然后同時(shí)跑兩個(gè)例子，第一個(gè)是有隔直電容的，到via4的距離為10inch，第二個(gè)的隔直電容到via4的距離為1inch。

從圖12可以看出，這兩個(gè)拓?fù)涞慕Y(jié)果從時(shí)域和頻域都是不一樣的。當(dāng)隔直電容距離4pf的via（via4）更近時(shí)反射比較大。不要認(rèn)為電容距離不連續(xù)性大的一側(cè)就是最差的選擇，可能不是，很難說這對(duì)每種情況都適用，僅僅取決于你的拓?fù)浼安贿B續(xù)的類型及如何利用這些不連續(xù)點(diǎn)來放置電容。關(guān)鍵是嘗試通過減小反射來放置電容，從信號(hào)角度來看不管接收還是發(fā)送都沒有影響。

圖12 階躍響應(yīng)（左圖）；損耗（右圖）

考慮到其他因素也是很重要的，比如可拆卸接口，熱插拔，短路保護(hù)等等，都會(huì)影響放置電容的位置。但是從SI的角度看可以得出結(jié)論：

1. 電容的放置應(yīng)當(dāng)盡量降低傳輸線的不連續(xù)。可以想象，電容的不連續(xù)性越小，產(chǎn)生的反射越小。

2. 整體上電容應(yīng)當(dāng)離驅(qū)動(dòng)端或者接收端較近，距離（Delay）最好小于1/2個(gè)UI的的長(zhǎng)度，這樣會(huì)有利于減小對(duì)眼圖的影響，避免眼圖裕量的減少。

3. 當(dāng)電容的位置確定了，就不要再考慮拓?fù)涞耐庥^，跟哪端是驅(qū)動(dòng)端沒關(guān)系。

現(xiàn)在來看最開始的問題，確實(shí)我們可以說兩種都是對(duì)的：電容在哪沒關(guān)系（從時(shí)域角度來分析），但是當(dāng)我們確定了拓?fù)浜?，就不再管?qū)動(dòng)是在哪端了，只要靠近驅(qū)動(dòng)或者發(fā)送端即可（頻域）