串行链路中加入一个AC耦合电容的作用

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在硬件设计过程中，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。如下：

      图1 USB3.0接口信号中TX信号的0.1uF电容
& C  h" r& Y9 d$ {2 ^6 o3 ~6 C6 B. }
3 a  f9 y; d! w$ l- p6 ~4 a    图2 PCIe接口信号中TX信号的0.1uF电容

    图3 mSata接口信号中RX、TX信号的0.01uF电容

  而常见的低速信号如232和LPC等却没有AC耦合电容的加入，如下：
7 J3 F, l0 v, w) S, T0 _

8 {& @% {% O7 s$ L; N5 h          图4 UART、LPC接口信号中无电容
  这个问题主要从以下几个方面进行分析：

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1、为什么要在链路中加入一个AC耦合电容呢？

  最开始要先明白AC耦合电容的作用。

• 1， source和sink端DC不同，所以隔直流；

• 2， 信号传输时可能会串扰进去直流分量，所以隔直流使信号眼图更好；

• 3， AC耦合电容还可以提供直流偏压和过流的保护。说到底：AC耦合电容的作用就是提供直流偏压，滤除信号的直流分量，使信号关于0轴对称。

• 4， 增加AC耦合电容肯定是使两级之间更好的通信，可以改善噪声容限。

  
  4 y5 \, h2 p% l5 f" o

  那么怎么改善噪声容限？
  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：
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# @2 I- x( z$ M" d, S: F5 H  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。
& t% |% Z) B1 Z& n  当然在选择电容时，其通带的最小频率要比传输信号的最小频率要小才好，假设信号的最小频率为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。
0 E0 a# d  z6 j2 b  k4 h$ J  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？
8 Q' ^3 H( h! e$ ]& Y! G3 J2 Y  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：紫色的电容值最大，红色的电容值次之，粉色的电容值最小。
! h5 I8 B( [) m- T, W) E  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：
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  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，最常见的就是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，最好是0402的，或者更小。

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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

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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