高速电路中AC耦合电容的作用及注意事项

时间:2023-05-09
在很多高速串行信号中,都会使用到AC耦合电容,既然在设计高速串行电路时,任何一个小小的不同都会引起信号完整性问题,为什么要在串行链路中加入一个AC耦合电容呢?这个电容不仅会导致信号边沿变得缓慢,还有可能会引起阻抗不连续。

当我们连接有不同的供电电压的两个系统时或者是热插拔时,可能就会需要用到AC耦合电容了,首先我们要了解的是这里我们使用AC电容的目的是为了使两级之间更好的通信,既然是串在了两个系统之间,那通信的信号必然是交流的信号。AC耦合电容还可以提供直流偏压和过流的保护。



在中间加个AC电容有什么好处呢?主要就是改善了噪声容限。我们有时候可能在选择电容时会选择小电容,觉得这样可能会将直流成分滤的更干净,但是这样会导致信号变形并且引起基线漂移。如果选择较大的电容,电容端的电压稳定的时间需要的比较长,原来一个小小的电容要求有这么多,那我们应该如何来选择这个电容呢?首先要看电容的频率、温度等特性并且选择低ESR/ESL的电容。对于电容值的选择是要通过计算来选的,如下所示:这里的F是截止频率(定义电压为输入电压的0.707倍时的频率),R是传输线的阻抗,C是AC耦合电容。当然在选择电容时,其通带的频率要比传输信号的频率要小才好,假设信号的频率为Fmin,则频率值为F:F=Fmin/20当取值为F时,99.88%的信号均会通过。


前面介绍了,虽然AC耦合电容有其好处,也会导致边沿变缓慢,放置AC耦合电容时,会引起阻抗的变化,就存在一个阻抗不连续点。同时,也会引入码型相关抖动,即当电路传输的信号中出现连续的“1”或“0”时,会出现下图所示的直流电平压降,这就会影响眼高。
如何才能减小这个直流压降降低呢?这和RC时间常数有关,RC值越大(充电时间越长,单位时间电容充电少,分压小),能通过的直流分量就越多直流压降越小。由于链路中等效电阻是相对固定的,只能调节耦合电容值了。如下图所示电容值越大,压降越小。



曲线说明:紫色的电容值,红色的电容值次之,粉色的电容值。


那我们就把电容无限加大吧!答案是:No,不行!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。电容在串联谐振频率之前呈容性,之后呈感性。如下图所示:



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。所以选择AC耦合电容时要综合以上两点考量,一般业界都推荐0.01uF~0.2uF,常见的就是0.1uF的电容。对于电容封装的选择不建议使用大于0603的封装,是0402的,或者更小。

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