揭秘信号线串电容：作用、选型与设计要点

在电子工程领域，工程师们常常会面临一个令人纠结的问题：信号线到底要不要串电容？这一决策并非简单随意，而是需要综合考虑接口标准、信号特性以及系统设计需求等多方面因素。在实际的硬件开发设计过程中，我们会发现很多高速串行信号上都会串联一个小电容，像 eDP、DDI、DP、PCIE、STATA、USB3.0 等信号皆是如此。今天，我们就来深入探讨一下信号线串联电容的作用、选型以及设计要点。

信号线上串联电容的常见信号

在日常硬件开发中，一些特定的信号接口常常会串联电容。

eDP（Embedded DisplayPort）信号接口

它是基于 DisplayPort 架构和协议开发的，主要用于内部显示连接。eDP 接口具有诸多优势，能够传输高分辨率的信号，支持多数据同时传输，具备传输速率高、lane 数少、尺寸小等特点。

DDI（Digital Display Interface）信号接口

DDI 是 x86 架构中 CPU 内部的显示接口，主要用于连接外部显示设备。DisplayPort（DP）是 DDI 接口的一种具体实现方式，由视频电子标准协会（VESA）开发并标准化。

DP（DisplayPort）信号接口

DP 接口是一种由视频电子标准协会（VESA）标准化的数字式视频接口标准，由 PC 及芯片制造商联盟开发。它主要用于视频源与显示器等设备的连接，支持高分辨率和多显示器设置。

PCIE (Peripheral Component Interconnect Express) 信号

PCle 用于连接计算机内部的各种外部设备，如显卡、网卡、存储设备等。它是 PCI 技术的后继者，旨在提供更高的数据传输速度和更好的性能。

SATA（Serial Advanced Technology Attachment）信号

SATA 信号接口是一种用于连接存储设备的高速串行接口标准，主要应用于硬盘、固态硬盘和光驱等设备。

USB3.0 信号

USB3.0 的传输速率非常快，理论上能达到 5Gbps，比常见的 480Mbps 的 High Speed USB（简称为 USB 2.0）快 10 倍，其外形和普通的 USB 接口基本一致，还能兼容 USB 2.0 设备。

信号线上串联电容的设计并非随意为之，而是基于信号完整性、协议规范以及系统稳定性的综合考量。无论是 eDP、DDI、DP 等显示接口，还是 PCIe、SATA、USB3.0 等高速数据传输协议，电容的取舍、选型都直接影响着信号的传输质量和设备可靠性。

信号线上串联电容的作用

高速接口通常采用 AC 耦合，即在信号线上串联小电容（典型值：10nF - 100nF），其作用主要包括以下几个方面：

●滤除直流分量：高速串行信号在传输过程中，经常会叠加直流分量以减少传输衰减。而串联电容通过其 “隔直通交” 的特性，能够滤除直流分量，使信号以 0 电平对称，避免接收端偏置冲突，从而有效提升信号质量。

●改善信号完整性：电容的串联位置和大小会对信号的反射和传输效率产生影响。例如，在接收端放置电容可以减少反射，而在发送端根据特定协议要求放置电容则可能有助于满足特定的电气规范。

●防止电磁干扰（EMI）：在某些情况下，电容还可以用于吸收和抑制高频信号反射，减少电磁干扰。特别是在时钟信号线上，电容可以帮助平滑高频波形，减少振铃和过冲。

提供过压保护：虽然网上有资料提及电容可以提供过压保护，但具体是否具备此作用以及如何实现过压保护，还有待进一步研究。

信号线上串联电容的 layout 及选型注意事项

在进行 layout 时，电容放置的位置是一个关键问题，究竟是放在接收端还是发射端呢？这里有几个参考要点：

●电容位置优先参考开发板 demo：开发板的设计往往经过了多次验证和优化，参考其电容放置位置是一个较为稳妥的做法。

●按协议规定：板级连接时，电容应靠近座子；芯片之间连接时，电容应靠近发送端。

●无特殊要求时：一般情况下，电容会放在接收端。例如，RK3568 明确要求需要串联 100nF 交流耦合电容，并建议使用 0201 封装，这种封装具有更低的 ESR 和 ESL，可减少线路上的阻抗变化，在布局时，应靠近 RK3568 管脚放置。

通常将电容放在接收端的原因主要是为了最小化阻抗不连续。电容类似于一个阻抗不连续的点，放在接收端比放在发送端反射会小一点，能最大限度地滤除接收端上串进信号线的直流干扰，从而减少信号反射，提高信号质量。不过，也有一些例外情况，比如 USB 3.0。

根据 USB 3.0 规范，在 Host 和 Device 的 TX 端（发送端）需要放置耦合电容，容量范围为 75nF 到 200nF。这些电容的主要作用是隔直流并提供共模噪声抑制，有助于优化信号完整性和接收端的偏置电压稳定。

综上所述，信号线是否串联电容以及电容的放置位置和选型，都需要工程师根据具体的接口标准、信号特性和系统设计需求进行综合考虑和权衡，以确保信号的稳定传输和设备的可靠运行。