AC耦合電容的影響，你真的知道嗎？

edadoc

作者 | 黃剛（一博科技高速先生團(tuán)隊(duì)隊(duì)員）

原理圖上看似輕描淡寫(xiě)，pcb設(shè)計(jì)加班到半夜。隨著信號(hào)速率越來(lái)越高，原理圖的內(nèi)容在PCB設(shè)計(jì)上去實(shí)現(xiàn)變得越來(lái)越難，圖紙上任意的一根理想連線或者器件到了PCB工程師這里可能也無(wú)從下手。不信？那就接著往下看唄！

隨著速率越來(lái)越高，原理圖上的一根連接線在PCB設(shè)計(jì)上就包括了阻抗匹配，長(zhǎng)度約束，加工偏差，板材選型，等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，過(guò)孔設(shè)計(jì)等內(nèi)容。那么廣大硬件工程師可能會(huì)不服氣了：那就不說(shuō)線，說(shuō)下元器件，這一塊是我們的強(qiáng)項(xiàng)了吧！我們?cè)谄骷�選型上也花了很多時(shí)間，而且也要很熟悉硬件原理的，然后你們?cè)赑CB上把封裝建出來(lái)然后放到PCB板就可以了嘛。乍一聽(tīng)，好像硬件工程師們扳回一局了，但是高速先生依然要和你們“爭(zhēng)執(zhí)”下去，我們要說(shuō)的是，即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的電容，其實(shí)在PCB設(shè)計(jì)也是很有學(xué)問(wèn)的哦，你們確定了解嗎？
9 Q+ Y7 J* y. k5 H
今天我們來(lái)講一下高速串行信號(hào)中非常常見(jiàn)的AC耦合電容。對(duì)！就是下面原理圖里面的這個(gè)玩意。我們今天就來(lái)研究一下它對(duì)高速信號(hào)的影響。

  ?* U( _- z4 U4 @) N& @$ k 作為一個(gè)電容，可能更多的粉絲會(huì)在電源網(wǎng)絡(luò)中見(jiàn)到過(guò)它們。一般來(lái)說(shuō)，電容用在電源網(wǎng)絡(luò)中起到去耦的作用，也就是抑制高頻噪聲的作用。一般來(lái)說(shuō)，我們加入了不同容值的電容，就能夠起到降低某些頻段的PDN阻抗的作用。如下所示，我們加入了一個(gè)在高速鏈路中常有的0.1uF電容，也能夠壓低10M到25MHz頻段的阻抗。為什么是這個(gè)頻段，為什么不能壓掉全頻段的阻抗，這個(gè)高速先生也提過(guò)很多次了，今天它不是主角，就不再重復(fù)了。
5 _+ j' n4 Z  D1 j3 z

那么如果同樣的電容放在了高速串行鏈路中后，它對(duì)高速信號(hào)的性能有什么影響呢？為了公平起見(jiàn)，我們還是從原理上和PCB設(shè)計(jì)這兩點(diǎn)去分析哈。
) h6 {% @8 t! o
首先從原理上而言，當(dāng)然大家都知道AC耦合電容是用于隔直流，也就是在共模信號(hào)隔掉。從這一點(diǎn)來(lái)看，貌似就是一個(gè)很簡(jiǎn)單的原理。但是我們需要知道，電容本身其實(shí)就不是理想的東西，即使它不焊接到PCB上面去，它也是由下面的等效參數(shù)來(lái)組成一個(gè)電容，我們把這些參數(shù)叫做電容的寄生參數(shù)。
) s4 Q3 U/ ~5 H9 t% a

所以從仿真中就能看到，一段若干長(zhǎng)度的傳輸線加上一個(gè)0402的電容的情況下，電容本身帶入的寄生參數(shù)會(huì)增加一定的損耗。
; o/ K+ q, g( J; L$ o

其實(shí)這個(gè)時(shí)候大家就會(huì)驚訝的發(fā)現(xiàn)，同樣的0.1uF電容，如果采用不同的封裝大小時(shí)，結(jié)果肯定會(huì)有所不同。
/ c" I; [+ y& N# `8 C0 G

2 ?* Y/ C9 Q6 [. b0 Q' h因?yàn)榉庋b越大的電容，它本身的寄生參數(shù)也就越大，因此寄生電感帶來(lái)的損耗會(huì)更大。所以單從這個(gè)器件選型的角度看，選擇封裝越小的電容影響也是越小的。
! B8 p: ~- c% [
3 l, |& o9 m# h6 s4 F6 b另外擴(kuò)展一下哈，對(duì)于如何去查看PCB走線的寄生電感，寄生電容等設(shè)計(jì)小技巧，可以去觀看高速先生隊(duì)長(zhǎng)親自拍攝的視頻。
' u( [' l+ J1 B: ?

https://www.bilibili.com/video/BV1gg4y1i7ms

  A3 d$ F/ F* X7 e  E* f
當(dāng)然從上面的內(nèi)容看，從0201到0603的電容選型，仿佛覺(jué)得對(duì)損耗的影響也不是很大嘛，再說(shuō)如果選擇0201的話，其實(shí)基本就沒(méi)有影響了唄。恩！這個(gè)觀點(diǎn)高速先生其實(shí)勉強(qiáng)算同意吧，那么我們?cè)賮?lái)看看如果把這個(gè)電容加到PCB板上之后會(huì)怎么樣呢？
! `* I# |1 R% Q8 Y. }4 N. c/ m
高速先生大概做了一個(gè)3D的模型，可以用來(lái)分析下一個(gè)0402的電容放在PCB焊盤(pán)上到底對(duì)信號(hào)質(zhì)量有什么影響。

這個(gè)時(shí)候你們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，影響到信號(hào)性能的因素就不僅僅是電容本身的寄生參數(shù)了，反而是變成了如何去優(yōu)化電容體+焊盤(pán)的阻抗了。阻抗如果不匹配的話，它對(duì)回波損耗和插入損耗的因素是非常大的。有多大呢？高速先生列出我們仿真的數(shù)據(jù)如下，一個(gè)未經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化的電容結(jié)構(gòu)帶來(lái)的插入損耗和回波損耗的結(jié)果如下：

這個(gè)時(shí)候我們?cè)賮?lái)對(duì)比下理想的電容和放到PCB上未優(yōu)化的電容對(duì)于損耗的對(duì)比。
5 b* @+ r. r; E! j3 W

這個(gè)時(shí)候你們就能明顯看到差別了吧。這其實(shí)也說(shuō)明了仿真對(duì)電容優(yōu)化的重要性，電容絕不只是擺到PCB焊盤(pán)上面就OK了哈。
* @! ^8 |# l, N% g/ R# C
當(dāng)然時(shí)間關(guān)系，其實(shí)還有很多關(guān)于電容在PCB上要注意的點(diǎn)來(lái)不及說(shuō)哈，例如不同封裝大小的電容的優(yōu)化方向，電容在高速鏈路中不同位置的區(qū)別等等，有機(jī)會(huì)高速先生再和大家一起分享吧！