关于高速电路中的AC耦合电容

作者：蒋修国

编者注：其实现在很多工程师在设计时，都是按照总线规范或者芯片手册的推荐值使用。如果都是这样，本文权且当作大家的拓展阅读。

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。

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：紫色的电容值最大，红色的电容值次之，粉色的电容值最小。

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，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。