【世界热闻】AC耦合为何必须使用直流均衡信号？

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【世界热闻】AC耦合为何必须使用直流均衡信号？

2023-06-25 20:09:36 来源：硬件电子工程师

【摘要】

信号的AC耦合方式具有屏蔽发送端和接收端直流偏置不一致的好处，但并不是所有信号都适合使用这种方式传输，即只有直流平衡信号（数据流中的1与0的数量相等的状态）才可以。本文试图从电容充放电的角度，解释非直流平衡信号不适用于AC耦合方式传输的原因。

一、问题的提出

在某系统研发过程中，出现了2次串行数据在接收端不能正常接收的情形，均为AC耦合时传输了非直流平衡信号。一次是发送固定码型64个连0然后一个1的变化，在接收端不能正确解码；另外一次为PRBS的数据源经过ADC采样后，每个采样点量化的8bit分别由8个通道传输，每个通道的0,1不均衡，使用AC耦合传输后不能正常接收。为何非直流平衡信号不能通过AC耦合电路，本文试图解释这一问题。

(相关资料图)

二、解决思路

1.电容的基本概念

电容的定义如公式1所示。

Q为电容的电荷量，U为电容两极间电压。

根据这个定义可以知道，电容可以储存电荷，储存的电荷量与加在电容上的电压有关。电容在存储或者释放电荷时，必然会有电荷的流动，形成电流。电流的大小如公式2所示。

比如电容在充电时，正极板积聚更多正电荷，负极板积聚更多负电荷，电荷的迁徙必将产生电流。这个公式说明，对于同一个电容来说，充放电时电流大小与电容极板间电压的变化快慢有关，变化越快，电流越大。

2.电容的充电和放电

通俗的解释电容的充电和放电，可以有如下描述。

电容充电：两极板的压差变大，积聚更多电荷；

电容放电：两极板的压差变小，释放更多电荷；

设电容初始电压为V0，最终电压为V∞，则任意时刻t的充电/放电电压为

图 1 电容充放电电压曲线

一般情况下，在大约3~5RC后，电容的充放电过程就基本完成了。因此时间常数RC直接决定了电容充放电的快慢。根据公式2，对于同一个电路来说（充放电时间一样），充放电前后的压差越大（电容压差定义为|V∞- V0|），那么充放电的电流也就越大。

电容的隔直流，通交流特性，也由电容的充放电来解释。如果电容两极的电压不变化，则没有电流和电荷的流动。如果电压发生变化，电路中就会产生电流，电流在电容的另一端就会引起电压的变化。也就是说，直流信号相当于极板间电压无变化，没有电流流过；交流信号，电容在不停的充放电，有电流流过，则相应的电压变化也传递到电容的另外一端。

3.电容两端电压不能突变

不论电荷聚集到电容极板还是从电容极板释放，都需要一个过程，也就是电容上的电荷值不会突变，根据公式1电容两端的电压也不会突变，而是随着电荷Q的聚集/释放过程而逐渐变化。比如电容两侧目前电压分别为V1=1.2V，V2=0.8V，电容充电完成到达稳态，电容两侧压差为0.4V，左侧极板积聚正电荷，右侧极板积聚负电荷，如图 2所示。

图 2 电容充电稳定图

如果电容V1侧电压瞬间增大到1.4V，电容启动充电过程。根据电容两端电压不能突变原理，此时V2处的电压会先升高到1.0V。由于电容为充电过程，V1积聚更多正电荷，V2积聚更多负电荷，释放更多正电荷，致使V2的电压下降，一直到0.8V。这时电容充电过程完成，再次进入平衡状态，此时电容两侧压差达到0.6V。

图 3 电容充电时的动态电压变化

如果电容V1侧电压瞬间降低到1.0V，电容启动放电过程。根据电容两端电压不能突变原理，此时V2处的电压会先降低到0.6V。由于电容为放电过程，V1释放更多正电荷，V2释放更多负电荷，聚集更多正电荷，致使V2的电压上升，一直到0.8V。这时电容放电过程完成，再次进入平衡状态，此时电容两侧压差达到0.2V。

图 4 电容放电时的动态电压变化

通过上面的实例分析，可以看到交流信号可以通过电容的原因：如果V1为交流信号，在1.4V和1.0V之间不停的交替变化，那么只要电容充放电的时间足够大，换句话说就是信号周期远小于充放电时间，就可以把这种变化带到V2侧，V2就会在1.0V和0.6V之间不停的交替变化，从而实现了交流信号通过电容。这个在后续章节中有更详尽的分析。

本质上，还是由于电路中不停的有电流（电荷的迁徙）流过，最终表现为电压的变化。下面通过对于不同信号的分析，说明交流信号通过电容传输的变化情况。

假设一个交流信号V1，经过电容进行AC耦合传输。V1信号的直流偏置为1.2V，摆幅0.4V。经过电容传输后，得到信号V2。V2的直流偏置为V2offset=0.8V。

图 5 AC耦合电路示意图

4.信号从非直流平衡变为直流平衡

V1从常低变为交流

图6 从常低电平到平衡信号的转换

t1时刻：V0=1.0-0.8=0.2，V∞=1.4-0.8=0.6，电容压差变化|V∞-V0|=0.4V。到达t2时，电容完成了时间为∆t的充电过程，由于充电导致的V2电压变化∆V，即t2时刻V2=1.2-∆V。

t2时刻：V0=1.4-（1.2-∆V）=0.2+∆V，V∞=1.0-0.8=0.2，电容压差变化|V∞-V0|=∆V。到达t3时，电容完成相同时间∆t的放电过程，由于放电导致的V2电压变化∆V’，到t3时刻V2=0.8-∆V+∆V’。

结合第2小节中电容充放电时间的解释，对于同一个电路，电容压差变化（|V∞-V0|）越大，充放电的时间越短，或者说相同的时间内电容压差变化（|V∞-V0|）越大，极板电压变化（V2）越大。结合本例，在第一个∆t间隔内，电容压差变化0.4V，而第二个∆t间隔内电容压差变化∆V，0.4>>∆V，因此在相同的时间间隔∆t内，∆V大于∆V’，也就是说充电量大于放电量。这就解释了中的V2曲线的平均值不断下降的原因。

V1从常高变为交流

图 7 从常高电平到平衡信号的转换

t1时刻：V0=1.4-0.8=0.6，V∞=1.0-0.8=0.2，电容压差变化|V∞-V0|=0.4V。到达t2时，电容完成了时间为∆t的放电过程，由于放电导致的V2电压变化∆V，即t2时刻V2=0.4+∆V。

t2时刻：V0=1.0-（0.4+∆V）=0.6-∆V，V∞=1.4-0.8=0.6，电容压差变化|V∞-V0|=∆V。到达t3时，电容完成相同时间∆t的充电过程，由于充电导致的V2电压变化∆V’，到t3时刻V2=0.8+∆V-∆V’。

结合第2小节中电容充放电时间的解释，对于同一个电路，电容压差变化（|V∞-V0|）越大，充放电的时间越短，或者说相同的时间内电容压差变化（|V∞-V0|）越大,极板电压变化（V2）越大。结合本例，在第一个∆t间隔内，电容压差将变化0.4V，而第二个∆t间隔内电容压差变化∆V，前者电容压差变化远大于后者，因此在相同的时间间隔∆t内，∆V大于∆V’，也就是说放电量大于充电量。这就解释了中的V2曲线的平均值不断上升的原因。

5.信号为稳定的直流平衡

第4小节中的信号，经过长时间的变化，总会有一个时刻在一个∆t间隔内的充电量与放电量达到平衡，如图 8所示。

图 8 AC耦合传输直流平衡信号波形图

t1时刻，由于前一个时间间隔内电容放电，V2=0.6+∆V，则V0=1.0-（0.6+∆V）=0.4-∆V，V∞=1.4-0.8=0.6，电容压差变化|V∞-V0|=0.2V+∆V。到达t2时，电容完成了时间为∆t的充电过程，由于充电导致的V2变化为∆V’，则在t2时刻V2=1.0V+∆V-∆V’。

T2时刻：V0=1.4-（1.0V+∆V-∆V’），V∞=1.0-0.8=0.2V，电容压差变化|V∞-V0|=0.2-∆V+∆V’，到达t3时，电容完成了时间为∆t的放电过程，由于放电导致的V2变化为∆V’（充电和放电达到平衡，在相同时间内电压变化也相同），则在t3时刻V2=1.0-V0=0.6+∆V-∆V’+∆V’=0.6+∆V。

由于充电和放电达到平衡，因此在t1和t2时刻计算的电容压差变化应该相等，即0.2V+∆V=0.2-∆V+∆V’，即∆V’=2∆V。如果放大这个时间片段的话（夸张的画），应该如图 9所示。也就是说，在V1的每次升高或者降低变化时，电容都在进行充电或者放电过程，只不过充放电的时间与信号变化的时间比拟起来很长，以至于几乎看不到充放电对V2信号电平的影响。

图 9 AC耦合直流平衡信号局部放大

6.信号从直流平衡变为非直流平衡

V1从交流变为常低。根据前两节的分析，一旦V1变为低电平，电容就会开始放电，由于V1没有再变高的过程，放电会一直持续，一直到电容重新达到平衡状态，也就是电容压差最终稳定在0.2V。

图 10 V1变为常低后V2的变化图

V1从交流变为常高。根据前两节的分析，一旦V1变为高电平，电容就会开始充电，由于V1没有再变低的过程，充电会一直持续，一直到电容重新达到平衡状态，也就是电容压差最终稳定在0.6V。

图 11 V1变为常高后V2的变化图

7.单端信号到差分信号

事实上，经常使用AC耦合的情形多为差分信号传输，那是由于不同标准电平的差分信号直流偏置会有差别，通常需要使用AC耦合进行直流偏置的隔离。对于差分信号，如果发送端直流不平衡时，在接收端又会是什么现象呢？

根据前面各小节的分析，得到差分信号的传输波形就是很简单的了。章节4和章节6中均分析了两种数据的波形，将这两种数据分别定义为VP和VN，那么两者相减就得到差分信号的波形了，分别如图 12和图 13所示。仅从波形上看，与单端信号差别不大，仅信号的摆幅比单端信号大了一倍而已。

图 12 差分信号从交变电平到常电平

图 13 差分信号从常电平到交变电平

8.信号非直流平衡时的问题

综合上面的分析，如果信号出现非直流平衡，即常连0或者常连1的数量过多时，可能会造成两个方面的问题：

（1）超过信号的判决门限而造成误判

任何信号在接收端都会有一个判决门限，比如LVDS信号会有±100mV的门限要求，即Vdiff落在0±100mV内，接收端无法判断接收数据位逻辑0还是逻辑1，可能造成误判。从图 12可以看出，如果发送端出现常连0或者常连1时，电容会过度充电或者过度放电，使接收端的电压可能降低到判决门限（比如LVDS信号的±100mV）以内，造成误判；从图 13可以看出，发送端在常连0或者常连1后，如果出现变化bit，最开始的几个周期这些信号在接收端有摆幅很小的时刻，如果同样落在判决门限（比如LVDS信号的±100mV）以内，也会造成误判。

（2）超过器件能承受的最大电压损坏器件

从章节4可以看出，V1在常连0或者常连1后出现一个变化bit，V2会出现较大的上摆或者下摆（会到达1.2V或者0.4V），有可能会超过接收器件承受的最大电压，造成器件的损害。

基于上述两个问题的分析，得到AC耦合电路需要使用直流平衡的信号。当然直流平衡并不是要求信号如前面章节分析的0和1交替反转的那样，本文中使用这样的信号仅为分析方便。实际使用中只要0和1的数量相等或者近似相等就可以了，出现连续的0或者连续的1不可避免，但只要不太多就可以了。比如8B/10B编码，连续的“1”或“0”不超过5位，即每5个连续的“1”或“0”后必须插入一位“0”或“1”。

三、实践情况

针对上述的理论分析，进行相应仿真。为了能够更好的理解数字序列经过AC耦合通路后的波形，首先仿真脉冲信号经过电容后的波形变化，

1.脉冲信号

根据图 5建立如图 14所示仿真模型，信号源为阶跃函数，上升沿1ps，摆幅0.2V，经过一个电容得到信号out1。由于电容电压的不可突变特性，在信号源in1的阶跃过程中都会出现out1电压先上升后下降到0.8V的过程，但如果电容值选择不同，out1的变化速度也不同。下面仿真了三种不同电容值时阶跃响应曲线。

图 14 阶跃仿真模型

1.1充电时间短（15ps）

选择电容C=0.1pF，计算电容的充电时间约为3RC=15ps，而信号的上升沿为1ps，这两个时间相差不多。根据仿真波形图 15所示，由于充电时间很短，导致out1的电平在瞬间没有上升到1.0V。

图 15 C=0.1pF仿真波形

1.2充电时间中等（15ns）

选择电容C为0.1nF，此时电容的充电时间约为3RC=15ns。而信号的上升沿为1ps，相差不多。在阶跃信号开始时，out1可以到达1.0V，并且在维持较短的一段时间开始下降，仿真波形分别如图 16和图 17所示。

图 16 C=0.1nF仿真波形（仿真时间500ps）

图 17 C=0.1nF仿真波形（仿真时间15ns）

1.3充电时间长（15us）

选择电容C为0.1uF，此时电容的充电时间约为3RC=15us，而信号的上升沿为1ps，相差非常大。由于充电时间过长，在很长一段时间内（比如15ns内）out1没有明显变化，仿真波形分别如图 18和图 19所示。

图 18 C=0.1uF仿真波形（仿真时间15us）

图 19 C=0.1uF仿真波形（仿真时间15ns）

2.DC平衡数字序列

将仿真模型的信号源更换为DC平衡的bit序列，序列频率为2620MHz（周期380ps），摆幅0.4V，直流偏置1.2V，同样针对三种电容值进行仿真。

图 20 DC平衡数据源仿真模型

2.1充放电时间短

仿真模型的电容C为0.1pF，充放电时间15ps。而bit序列的周期为380ps，半个周期为190ps，也就是说在信号的半个周期内，电容很快完成了充电/放电过程，out波形不能维持在固定的高电平或者低电平。最终仿真波形如图 21所示，这个电容值不适合DC平衡信号的传输。

图 21 C=0.1pF仿真波形

2.2充放电时间中等

仿真模型的电容C为0.1nF，充放电时间15ns。而bit序列半个周期为190ps，这个时间差距中等，最终仿真波形如图 22所示。out波形到达正常（直流偏置为0.8V）大约花了15ns的时间。

图 22 C=0.1nF仿真波形

2.3充放电时间长

仿真模型的电容C为0.1uF，充放电时间15us。而bit序列半个周期为190ps，这个时间差距还是非常大的，也就是说在信号半个周期内，电容充电/放电过程进行的非常缓慢，最终仿真波形如图 23所示。out波形到达正常（直流偏置为0.8V）大约花了15us的时间，在这三种情形中是最长的一个。

图 23 C=0.1uF仿真波形

3.DC非平衡数字序列

仍然使用上一节中的仿真模型，将发送bit序列更改为“11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111110”形式的非DC平衡序列，电容选择0.1nF。由于“0”的数量较少，导致电容放电时间短，形成图 24所示的波形，与第二章中的分析一致。这种信号在接收端就可能造成器件损坏或者接收判决错误。

图 24 非DC平衡信号仿真波形a

将发送bit序列更改为“11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111110101010101010101010101”形式的非DC平衡序列，电容仍选择0.1nF，out的波形如图 25所示。

图 25 非DC平衡信号仿真波形b

四、总结

通过本文的分析和仿真，从电容充放电的角度，比较直观的解释了非DC平衡信号不能使用AC耦合传输的原因。同时在分析过程中，我们可以得到以下进一步引申的结论：

1.隔直电容的选择与信号频率有关。如果信号的频率较低，隔直电容不能选择的太小（充放电时间太小），以防止出现图 15所示的情形，使传输波形失真；

2.非DC平衡信号，经过AC耦合传输，信号眼图一般不会闭合，但眼图的中心电平会有偏移，眼皮变厚，眼高也会变小。

结论1根据上述章节的分析以及仿真波形显而易见；结论2进一步阐述如下：

结合第二章中的分析以及图 24和图 25的仿真波形，可以看到AC耦合后的信号会经历一个摆动调整的过程，从最原始的波形向偏置为0.8V调整。如果信号一直在这个区间内调整，那么输出信号眼图将如图 26所示，其中红框为非DC平衡信号经过AC耦合后的眼图（最坏情况），蓝色为DC平衡信号经过AC耦合后的眼图（眼高为摆幅，眼中心为直流偏置V ~~offset~~）。如果信号源为图 24使用的源，那么AC耦合后的眼图与图 26中的黑色框类似，眼图中心会达到V L；如果信号源为图 25使用的源，那么AC耦合后的眼图将介于黑框和红框之间。

图 26 非DC平衡信号经过AC耦合后的眼图分析

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