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高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?

發(fā)布時(shí)間:2018-07-16 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在高頻電路設(shè)計(jì)中,經(jīng)常會(huì)用到AC耦合電容,要么在芯片之間加兩顆直連,要么在芯片與連接器之間加兩顆??此坪唵危磺卸家?yàn)樾盘柕母咚俣煌?。信號的高速傳輸使這顆電容變得不“理想”,這顆電容沒有設(shè)計(jì)好,就可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目的失敗。因此,對高速電路而言,這顆AC耦合電容沒有優(yōu)化好將是“致命”的。
 
正確理解AC耦合電容
 
在高頻電路設(shè)計(jì)中,經(jīng)常會(huì)用到AC耦合電容,要么在芯片之間加兩顆直連,要么在芯片與連接器之間加兩顆。看似簡單,但一切都因?yàn)樾盘柕母咚俣煌?。信號的高速傳輸使這顆電容變得不“理想”,這顆電容沒有設(shè)計(jì)好,就可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目的失敗。因此,對高速電路而言,這顆AC耦合電容沒有優(yōu)化好將是“致命”的。
 
下面筆者依據(jù)之前的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),盤點(diǎn)分析一下我在這顆電容的使用上遇到的一些問題。
 
最開始要先明白AC耦合電容的作用。一般來講,我們用AC耦合電容來提供直流偏壓,就是濾出信號的直流分量,使信號關(guān)于0軸對稱。既然是這個(gè)作用,那么這顆電容是不是可以放在通道的任何位置呢?這就是筆者最初做高頻電路時(shí),在這顆電容使用上遇到的第一個(gè)問題——AC耦合電容到底該放在哪。
 
這里拿一個(gè)項(xiàng)目中常遇到的典型通路來分析。
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖1:AC耦合電容典型通路
 
在低速電路設(shè)計(jì)中,這顆電容可以等效成理想電容。而在高頻電路中,由于寄生電感的存在以及板材造成的阻抗不連續(xù)性,實(shí)際上這顆電容不能看作是理想電容。這里信號頻率2.5G,通道長度4000mil,AC耦合電容的位置分別在距離發(fā)送端和接收端200mil的位置。我們看一下仿真出的眼圖的變化。
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖2:AC耦合電容靠近發(fā)送端的眼圖
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖3:AC耦合電容靠近接收端的眼圖
 
顯然,這顆AC耦合電容靠近接收端的時(shí)候信號的完整性要好于放在發(fā)送端。我的理解是這樣的,非理想電容器阻抗不連續(xù),信號經(jīng)過通道衰減后反射的能量會(huì)小于直接反射的能量,所以絕大多數(shù)串行鏈路要求這顆AC耦合電容放在接收端。但也有例外,筆者之前做板對板連接時(shí)遇到過這個(gè)問題,查PCIE規(guī)范發(fā)現(xiàn)如果是兩個(gè)板通常放置在發(fā)送端上,此時(shí)還利用到了AC耦合電容的另外一個(gè)作用——過壓保護(hù)。比如說SATA,所以通常要求靠近連接器放置。
 
解決了放置的問題,另一個(gè)困擾大家的就是容值的選取了。這樣說,我們的整個(gè)串行鏈路等效出的電阻R是固定的,那么AC耦合電容C的選取將會(huì)關(guān)系到時(shí)間常數(shù)(RC),RC越大,過的直流分量越大,直流壓降越低。既然這樣,AC耦合電容可以無限增大嗎?顯然是不行的。
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖4:AC耦合電容增大后測量到的眼圖
 
同樣的位置,與圖3相比可以看出增大耦合電容后,眼高變低。原因是“高速”使電容變的不理想。感應(yīng)電感會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)諧振,容值越大,諧振頻率越低,AC耦合電容在低頻情況下呈感性,因此高頻分量衰減增大,眼高變小,上升沿變緩,相應(yīng)的JITTER也會(huì)增大。
 
通常建議AC耦合電容在0.01uf~0.2uf之間,項(xiàng)目中0.1uf比較常見。推薦使用0402的封裝。
 
最后,解決了以上兩個(gè)問題,再從PCB設(shè)計(jì)上分析一下這顆電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際在項(xiàng)目中,與AC耦合電容的位置、容值大小這些可見因素相比,更加難以捉摸的是板材本身(包括焊盤的精度、銅箔的均勻度等)以及焊盤處的寄生電容對信號完整性的影響。我們知道,高頻信號必須沿著有均勻特征阻抗的路徑傳播,如果遇到阻抗失配或者不連續(xù)的情況時(shí),部分信號會(huì)被反射回發(fā)射端,造成信號的衰減,影響信號的完整性。項(xiàng)目中,這種情況通常會(huì)出現(xiàn)在焊盤或者是板載連接器處。筆者最初涉及的高速電路設(shè)計(jì)時(shí),經(jīng)常遇到這個(gè)問題。
 
解決這個(gè)問題要從兩個(gè)方面入手。首先在板材的選取上,我們在應(yīng)用中通常選用高性能的ROGERS板材,羅杰斯的板材在銅箔厚度的控制上非常精確,均勻的銅箔覆蓋大大降低了阻抗的不連續(xù)性;然后在消除焊盤處的寄生電容上,業(yè)內(nèi)常見的辦法是在焊盤處做隔層處理(挖空位于焊盤正下方的參考平面區(qū)域,在內(nèi)層創(chuàng)建銅填充),通過增大焊盤與其參考平面(或者是返回路徑)之間的距離,減小電容的不連續(xù)性。在筆者的項(xiàng)目中多采用介質(zhì)均勻、銅箔寬度控制精確的ROGERS板材也有效提高了焊盤的加工精度。
 
通過仿真對比一下ROGERS板材做精確隔層處理前后的信號完整性。
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖5:做隔層處理前的TDR
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖6:做隔層處理后的TDR
 
圖5圖6對比,發(fā)現(xiàn)未處理之前阻抗的跳躍很明顯,隔層處理后的阻抗改善很多,幾乎沒有任何階躍與不連續(xù)。
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖7:做隔層處理前的回波損耗
 
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖8:做隔層處理后的回波損耗
 
圖7圖8對比,在用ROGERS板材做隔層處理之后,相比未做隔層處理回波損耗下降到-30dB之內(nèi),大大降低了回波損耗,保證了信號傳輸?shù)耐暾?/div>
 
綜上,想要搞定高頻電路中這顆“致命”的AC耦合電容,不僅要做足電路設(shè)計(jì)上的功課,同時(shí),選擇性能更好的高頻PCB板材料會(huì)讓你事半功倍。
 
匹配電路的電感選擇
 
對高頻電路而言,電路之間的電感匹配很重要。電感匹配是指在信號的傳輸線路上,讓發(fā)送端電路的輸出阻抗與接收端電路的輸入阻抗一致,匹配后,可以最大限度地把發(fā)送端的電力傳送到接收端。
 
匹配電路使用電容器和電感器,但是實(shí)際的電容器和電感器與理想的元件不同,有損耗。表示該損耗的有Q值。Q值越大,表示電容器和電感器的損耗就越小。
 
電感的Q值與高頻電路的損耗
 
匹配電路中使用的電感器的Q值的大小,對高頻電路的損耗也會(huì)產(chǎn)生影響。
 
為了確認(rèn)此事,我們采用了村田的SAW濾波器 (通頻帶800MHz頻段) 和RF電感,在匹配電路中換裝Q值不同的RF電感,測量和比較了SAW濾波器的插入損耗。
 
圖9表示電路圖。此次的電路,雖說是匹配電路,但是只有一個(gè)RF電感器。
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖9: SAW濾波器與匹配電路
 
圖10表示此次進(jìn)行了換裝的RF電感的Q值的頻率特性,表1表示結(jié)構(gòu)、尺寸、Q值 (800MHz時(shí)的Typ.值)
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖10: RF電感的Q值比較 (均為7.5nH)
 
表1 RF電感的比較
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
 
※圖10的圖表是采用村田提供的設(shè)計(jì)輔助工具SimSurfing表示的。
 
換裝匹配電路的RF電感時(shí)的SAW濾波器的整體特性見圖11,通頻帶特性見圖12。
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖11: SAW濾波器的整體特性
 
高頻電路設(shè)計(jì)中,如何應(yīng)對“不理想”的電容與電感?
圖12: SAW濾波器的通頻帶特性
 
從圖12的通頻帶特性來看,可以確認(rèn)SAW濾波器的插入損耗因所使用的RF電感而異。高頻電路的這種水平的損耗越來越重要。
 
從此次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,RF電感的Q值越大 (損耗越小) ,SAW濾波器的插入損耗就越小。也就是說,電感器損耗的大小就是包括匹配電路在內(nèi)的SAW濾波器損耗的大小。
 
請注意,使用的高頻元件 (此次為SAW濾波器) 、匹配電路、頻段等不同,損耗也將各異。
 
電感的偏差與對匹配電路的影響
 
另外,實(shí)際的電感器的阻抗值為1.0nH、1.1nH、1.2nH之類的不連續(xù)值。進(jìn)行匹配時(shí),有時(shí)必須采用細(xì)致的常數(shù)步驟進(jìn)行微調(diào)。同時(shí),阻抗值的偏差 (標(biāo)準(zhǔn)離差) 會(huì)變成匹配的標(biāo)準(zhǔn)離差,為了滿足必要特性,有時(shí)需要偏差小的電感器。村田的電感器當(dāng)中,薄膜型LQP系列最符合細(xì)致的常數(shù)步驟和偏差小的要求。
 
根據(jù)以上情況,有必要對SAW濾波器的整合回路RF電感的Q特性、偏差值、尺寸、成本等方面,進(jìn)行比較討論之后做出選擇。在貼裝空間有剩余的情況下,Q值偏高的卷線電感LQW15/LQW04為最佳選擇。此外,貼裝空間有所限制的情況下,小尺寸0603、擁有較高Q值的LQP03HQ/LQP03TN_02為最佳選擇。
 
 
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