AC耦合為何必須使用直流均衡信號(hào)？

V1從交流變?yōu)槌５?。根?jù)前兩節(jié)的分析，一旦V1變?yōu)榈碗娖?，電容就?huì)開始放電，由于V1沒有再變高的過程，放電會(huì)一直持續(xù)，一直到電容重新達(dá)到平衡狀態(tài)，也就是電容壓差最終穩(wěn)定在0.2V。

圖 10 V1變?yōu)槌５秃骎2的變化圖

V1從交流變?yōu)槌８?。根?jù)前兩節(jié)的分析，一旦V1變?yōu)楦唠娖?，電容就?huì)開始充電，由于V1沒有再變低的過程，充電會(huì)一直持續(xù)，一直到電容重新達(dá)到平衡狀態(tài)，也就是電容壓差最終穩(wěn)定在0.6V。

圖 11 V1變?yōu)槌８吆骎2的變化圖

7.單端信號(hào)到差分信號(hào)

事實(shí)上，經(jīng)常使用AC耦合的情形多為差分信號(hào)傳輸，那是由于不同標(biāo)準(zhǔn)電平的差分信號(hào)直流偏置會(huì)有差別，通常需要使用AC耦合進(jìn)行直流偏置的隔離。對(duì)于差分信號(hào)，如果發(fā)送端直流不平衡時(shí)，在接收端又會(huì)是什么現(xiàn)象呢？

根據(jù)前面各小節(jié)的分析，得到差分信號(hào)的傳輸波形就是很簡單的了。章節(jié)4和章節(jié)6中均分析了兩種數(shù)據(jù)的波形，將這兩種數(shù)據(jù)分別定義為VP和VN，那么兩者相減就得到差分信號(hào)的波形了，分別如圖 12和圖 13所示。僅從波形上看，與單端信號(hào)差別不大，僅信號(hào)的擺幅比單端信號(hào)大了一倍而已。

圖 12 差分信號(hào)從交變電平到常電平

圖 13 差分信號(hào)從常電平到交變電平

8.信號(hào)非直流平衡時(shí)的問題

綜合上面的分析，如果信號(hào)出現(xiàn)非直流平衡，即常連0或者常連1的數(shù)量過多時(shí)，可能會(huì)造成兩個(gè)方面的問題：

（1）超過信號(hào)的判決門限而造成誤判

任何信號(hào)在接收端都會(huì)有一個(gè)判決門限，比如LVDS信號(hào)會(huì)有±100mV的門限要求，即Vdiff落在0±100mV內(nèi)，接收端無法判斷接收數(shù)據(jù)位邏輯0還是邏輯1，可能造成誤判。從圖 12可以看出，如果發(fā)送端出現(xiàn)常連0或者常連1時(shí)，電容會(huì)過度充電或者過度放電，使接收端的電壓可能降低到判決門限（比如LVDS信號(hào)的±100mV）以內(nèi)，造成誤判；從圖 13可以看出，發(fā)送端在常連0或者常連1后，如果出現(xiàn)變化bit，最開始的幾個(gè)周期這些信號(hào)在接收端有擺幅很小的時(shí)刻，如果同樣落在判決門限（比如LVDS信號(hào)的±100mV）以內(nèi)，也會(huì)造成誤判。

（2）超過器件能承受的最大電壓損壞器件

從章節(jié)4可以看出，V1在常連0或者常連1后出現(xiàn)一個(gè)變化bit，V2會(huì)出現(xiàn)較大的上擺或者下擺（會(huì)到達(dá)1.2V或者0.4V），有可能會(huì)超過接收器件承受的最大電壓，造成器件的損害。

基于上述兩個(gè)問題的分析，得到AC耦合電路需要使用直流平衡的信號(hào)。當(dāng)然直流平衡并不是要求信號(hào)如前面章節(jié)分析的0和1交替反轉(zhuǎn)的那樣，本文中使用這樣的信號(hào)僅為分析方便。實(shí)際使用中只要0和1的數(shù)量相等或者近似相等就可以了，出現(xiàn)連續(xù)的0或者連續(xù)的1不可避免，但只要不太多就可以了。比如8B/10B編碼，連續(xù)的“1”或“0”不超過5位，即每5個(gè)連續(xù)的“1”或“0”后必須插入一位“0”或“1”。

三、實(shí)踐情況

針對(duì)上述的理論分析，進(jìn)行相應(yīng)仿真。為了能夠更好的理解數(shù)字序列經(jīng)過AC耦合通路后的波形，首先仿真脈沖信號(hào)經(jīng)過電容后的波形變化，

1.脈沖信號(hào)

根據(jù)圖 5建立如圖 14所示仿真模型，信號(hào)源為階躍函數(shù)，上升沿1ps，擺幅0.2V，經(jīng)過一個(gè)電容得到信號(hào)out1。由于電容電壓的不可突變特性，在信號(hào)源in1的階躍過程中都會(huì)出現(xiàn)out1電壓先上升后下降到0.8V的過程，但如果電容值選擇不同，out1的變化速度也不同。下面仿真了三種不同電容值時(shí)階躍響應(yīng)曲線。

圖 14 階躍仿真模型

1.1充電時(shí)間短（15ps）

選擇電容C=0.1pF，計(jì)算電容的充電時(shí)間約為3RC=15ps，而信號(hào)的上升沿為1ps，這兩個(gè)時(shí)間相差不多。根據(jù)仿真波形圖 15所示，由于充電時(shí)間很短，導(dǎo)致out1的電平在瞬間沒有上升到1.0V。

圖 15 C=0.1pF仿真波形

1.2充電時(shí)間中等（15ns）

選擇電容C為0.1nF，此時(shí)電容的充電時(shí)間約為3RC=15ns。而信號(hào)的上升沿為1ps，相差不多。在階躍信號(hào)開始時(shí)，out1可以到達(dá)1.0V，并且在維持較短的一段時(shí)間開始下降，仿真波形分別如圖 16和圖 17所示。

圖 16 C=0.1nF仿真波形（仿真時(shí)間500ps）

圖 17 C=0.1nF仿真波形（仿真時(shí)間15ns）

1.3充電時(shí)間長（15us）

選擇電容C為0.1uF，此時(shí)電容的充電時(shí)間約為3RC=15us，而信號(hào)的上升沿為1ps，相差非常大。由于充電時(shí)間過長，在很長一段時(shí)間內(nèi)（比如15ns內(nèi)）out1沒有明顯變化，仿真波形分別如圖 18和圖 19所示。

圖 18 C=0.1uF仿真波形（仿真時(shí)間15us）

圖 19 C=0.1uF仿真波形（仿真時(shí)間15ns）

2.DC平衡數(shù)字序列

將仿真模型的信號(hào)源更換為DC平衡的bit序列，序列頻率為2620MHz（周期380ps），擺幅0.4V，直流偏置1.2V，同樣針對(duì)三種電容值進(jìn)行仿真。

圖 20 DC平衡數(shù)據(jù)源仿真模型

2.1充放電時(shí)間短

仿真模型的電容C為0.1pF，充放電時(shí)間15ps。而bit序列的周期為380ps，半個(gè)周期為190ps，也就是說在信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)，電容很快完成了充電/放電過程，out波形不能維持在固定的高電平或者低電平。最終仿真波形如圖 21所示，這個(gè)電容值不適合DC平衡信號(hào)的傳輸。

圖 21 C=0.1pF仿真波形

2.2充放電時(shí)間中等

仿真模型的電容C為0.1nF，充放電時(shí)間15ns。而bit序列半個(gè)周期為190ps，這個(gè)時(shí)間差距中等，最終仿真波形如圖 22所示。out波形到達(dá)正常（直流偏置為0.8V）大約花了15ns的時(shí)間。

圖 22 C=0.1nF仿真波形

2.3充放電時(shí)間長

仿真模型的電容C為0.1uF，充放電時(shí)間15us。而bit序列半個(gè)周期為190ps，這個(gè)時(shí)間差距還是非常大的，也就是說在信號(hào)半個(gè)周期內(nèi)，電容充電/放電過程進(jìn)行的非常緩慢，最終仿真波形如圖 23所示。out波形到達(dá)正常（直流偏置為0.8V）大約花了15us的時(shí)間，在這三種情形中是最長的一個(gè)。

圖 23 C=0.1uF仿真波形

3.DC非平衡數(shù)字序列

仍然使用上一節(jié)中的仿真模型，將發(fā)送bit序列更改為“11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111110”形式的非DC平衡序列，電容選擇0.1nF。由于“0”的數(shù)量較少，導(dǎo)致電容放電時(shí)間短，形成圖 24所示的波形，與第二章中的分析一致。這種信號(hào)在接收端就可能造成器件損壞或者接收判決錯(cuò)誤。

圖 24 非DC平衡信號(hào)仿真波形a

將發(fā)送bit序列更改為“11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111110101010101010101010101”形式的非DC平衡序列，電容仍選擇0.1nF，out的波形如圖 25所示。

圖 25 非DC平衡信號(hào)仿真波形b

四、總結(jié)

通過本文的分析和仿真，從電容充放電的角度，比較直觀的解釋了非DC平衡信號(hào)不能使用AC耦合傳輸?shù)脑?。同時(shí)在分析過程中，我們可以得到以下進(jìn)一步引申的結(jié)論：

1.隔直電容的選擇與信號(hào)頻率有關(guān)。如果信號(hào)的頻率較低，隔直電容不能選擇的太?。ǔ浞烹姇r(shí)間太?。苑乐钩霈F(xiàn)圖 15所示的情形，使傳輸波形失真；

2.非DC平衡信號(hào)，經(jīng)過AC耦合傳輸，信號(hào)眼圖一般不會(huì)閉合，但眼圖的中心電平會(huì)有偏移，眼皮變厚，眼高也會(huì)變小。

結(jié)論1根據(jù)上述章節(jié)的分析以及仿真波形顯而易見；結(jié)論2進(jìn)一步闡述如下：

結(jié)合第二章中的分析以及圖 24和圖 25的仿真波形，可以看到AC耦合后的信號(hào)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)擺動(dòng)調(diào)整的過程，從最原始的波形向偏置為0.8V調(diào)整。如果信號(hào)一直在這個(gè)區(qū)間內(nèi)調(diào)整，那么輸出信號(hào)眼圖將如圖 26所示，其中紅框?yàn)榉荄C平衡信號(hào)經(jīng)過AC耦合后的眼圖（最壞情況），藍(lán)色為DC平衡信號(hào)經(jīng)過AC耦合后的眼圖（眼高為擺幅，眼中心為直流偏置V offset ）。如果信號(hào)源為圖 24使用的源，那么AC耦合后的眼圖與圖 26中的黑色框類似，眼圖中心會(huì)達(dá)到V L ；如果信號(hào)源為圖 25使用的源，那么AC耦合后的眼圖將介于黑框和紅框之間。

圖 26 非DC平衡信號(hào)經(jīng)過AC耦合后的眼圖分析