高速电路设计中耦合电容的关键作用

相对于需要进行复杂电路匹配的低频电路而言，高频电路的结构相对简单，但简单的结构往往意味着需要考虑更多的问题。以常见的AC耦合电容为例，要么在芯片之间加两颗直连，要么在芯片与连接器之间加两颗电容。尽管看起来简单，但在高速情况下一切都不同。高速使得这颗电容变得不够理想，如果这颗电容设计不好，可能会导致整个项目的失败。因此，对于高速电路而言，没有优化好这颗AC耦合电容将是致命的。

首先要明确AC耦合电容的作用。一般来说，我们使用AC耦合电容来提供直流偏压，即滤除信号的直流成分，使信号关于0轴对称。既然如此，那么这颗电容是否可以放置在通路的任何位置呢？这是我在刚开始涉足高频电路设计时遇到的第一个问题——AC耦合电容应该放在哪里。

让我们以一个常见的项目中经常遇到的典型通路进行分析。

在低速电路设计中，这颗电容可以等效为理想电容。然而，在高频电路中，由于寄生电感和板材引起的阻抗不连续性的存在，实际上这颗电容不能被视为理想电容。在这个例子中，信号频率为2.5G，通道长度为4000mil，AC耦合电容的位置分别在距离发送端和接收端200mil的位置。让我们来看一下仿真得到的眼图变化。

很明显，当AC耦合电容靠近接收端时，信号的完整性优于放置在发送端。我的理解是，由于非理想电容器的阻抗不连续性，信号经过通道衰减后反射的能量会小于直接反射的能量，因此大多数串行链路要求将AC耦合电容放置在接收端。然而也有例外，我之前在板对板连接时遇到过这个问题，查阅了PCIE规范后发现，如果是两个板之间的连接，通常将其放置在发送端，此时还能利用AC耦合电容的另一个作用——过压保护，例如SATA接口，因此通常要求靠近连接器放置。

解决了放置问题，另一个困扰大家的是容值的选择。换句话说，我们的整个串行链路等效为一个固定的电阻R，因此AC耦合电容C的选择将影响到时间常数（RC）。RC越大，直流分量越大，直流压降越低。那么AC耦合电容可以无限增大吗？显然是不行的。

在同样的位置上，与图3进行比较，可以看到增大耦合电容后，眼图变窄。原因是高速使得电容变得不够理想。感应电感会引发串联谐振，容值越大，谐振频率越低，AC耦合电容在低频情况下呈感性，因此高频成分衰减加大，眼图变小，上升沿变缓，相应的抖动（JITTER）也会增加。通常建议AC耦合电容选择在0.01μF至0.2μF之间，而项目中常见的是0.1μF。推荐使用0402封装。

最后，在解决上述两个问题之后，从PCB设计的角度分析优化这颗电容。在实际项目中，与AC耦合电容的位置和容值这些明显的因素相比，更难把握的是板材本身（包括焊盘精度、铜箔均匀性等）以及焊盘处的寄生电容对信号完整性的影响。我们知道，高频信号必须沿着具有均匀特征阻抗的路径传播，如果遇到阻抗不匹配或不连续的情况，部分信号会反射回发射端，导致信号衰减，影响信号的完整性。在项目中，这种情况通常出现在焊盘或板载连接器处。在我最初涉足高速电路设计时，我经常遇到这个问题。

要解决这个问题，我们需要从两个方面着手。首先，在选择板材时，我们通常会选择高性能的ROGERS板材，因为ROGERS板材在控制铜箔厚度方面非常精确，均匀的铜箔覆盖大大降低了阻抗不连续性。其次，在消除焊盘处的寄生电容方面，行业常见的方法是在焊盘处进行隔层处理（挖空位于焊盘正下方的参考平面区域，在内层进行铜填充），通过增大焊盘与其参考平面（或返回路径）之间的距离，减小电容的不连续性。在我的项目中，使用介质均匀、铜箔宽度控制精确的ROGERS板材也有效提高了焊盘的加工精度。

通过仿真比较一下ROGERS板材进行精确隔层处理前后的信号完整性。

对比图5和图6，可以看出在未处理时阻抗有明显跃变，而进行隔层处理后，阻抗得到了显著改善，几乎没有任何跃变或不连续。

通过图7和图8的比较，可以看出，在使用ROGERS板材进行隔层处理后，与未进行隔层处理相比，回波损耗下降至-30dB以下，大大降低了回波损耗，确保了信号传输的完整性。

综上所述，要解决高频电路中这颗“致命”的AC耦合电容，不仅需要在电路设计上下功夫，同时选择性能更好的高频PCB板材也能事半功倍。

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