2025年交流耦合和直流耦合

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一、 AC和DC定义

在选择输入模式时，可能选择不同的耦合方式会影响到数据中的频率成分。大多数信号都有AC成分和DC成分，DC成分是0Hz的部分，对应时域信号中的直流分量（或称为直流偏置），AC成分是信号中的交变部分，包含信号中所有的非零频率成分，如下图所示。

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如上图所示，交变的AC部分围绕DC偏置波动，有时称这个直流分量DC部分为基线，即信号围绕基线波动。对直流偏置进行FFT分析，得到0Hz的成分。对交变部分进行FFT分析，则得到信号中的非零频率成分。

我们在FFT频谱图中，有时是不是看到0Hz的幅值很大，而非零频率成分却很小。这时，为了更好地查看非零频率成分，有时需要去掉前面几个频率点数据或者显示1或2Hz以上的频率部分。

二、交流耦合和直流耦合

我们采集到的信号总不会是理想波形，例如，在采集交流信号的时候，可能会混入直流分量，而在采集直流信号的时候，也有可能混入交流分量，所以一个待测信号包含交流和直流两部分。耦合是指两个不同介质中通过物理连接时进行的能量传递。

1、交流耦合

交流耦合(AC coupling)是在信号与采集点之间加入电容，由于电容具有通交阻直的特性，直流分量就会很容易被过滤掉。因此，交流耦合也被称为电容耦合。AC耦合只允许交流信号通过。

只允许信号中的交变部分通过，将移除信号中的直流分量（DC部分），通常使用隔直电容器实现。AC耦合可有效地阻隔掉信号中的DC部分，使信号的平均值为0。如下图所示的一个应变信号采用AC耦合时，得到的测量值围绕0με波动。

2、直流耦合

直流耦合(DC coupling)因为交流分量往往没有办法过滤，因此，所谓的直流耦合，就是对信号不做任何处理。这样可以同时采集交流和直流信号来进行分析。DC耦合允许任何类型信号通过；

DC耦合同时允许信号中的交变部分（AC）和直流分量（DC）通过。DC成分为0Hz的信号，扮演了偏置的作用，而AC部分则围绕这个直流偏置量进行波动。如下图所示为一个应变测量信号采用DC耦合时，得到的交变部分围绕55με波动。

三、怎样选择耦合方式

由于选择不同的耦合方式会导致信号的差异，那么，相对而言，该如何选择耦合方式呢？

如果要过滤掉信号中的直流部分，就需要通过交流耦合（AC耦合），交流耦合是指在信号与采集点之间加入电容，由于电容具有通交阻直的特性，直流分量就会很容易被过滤掉。因此，交流耦合也被称为电容耦合。

但是交流分量往往没有办法过滤，因此，所谓的直流耦合，就是对信号不做任何处理。这样可以同时采集交流和直流信号来进行分析。

如果要过滤掉信号中的交流分量，可以考虑采用滤波器来实现，通过低通滤波器可以有效过滤掉相当一部分交流分量。

AC耦合会移除信号中的直流分量DC部分，但是它只移除0Hz吗？其实不然，下图给出了AC耦合的滤波特征。滤波器的高通截止频率是在信号幅值的0.707倍处，也就是-3dB点。当然这个截止频率是耦合电路的函数，依赖于您使用的电子元器件。

下图中给出的是在0.5Hz耦合，也就是说截止频率为0.5Hz。因此，AC耦合会移除信号中的直流分量，但同时也会衰减额外的低频段，如0-0.5Hz。

如下图所示出了一种交流终接方案，以及电容的每一端的波形·请注意电容将隔断信号的全部直流分量，因此，接收器端只会观察到输入信号的前沿和后沿·输入的波形将对网络充电，于是能量会以RC时间常数缓慢地耗散.

交流耦合方案具有如下的优点∶

1、接收器处的输入波形将以偏置电压(VBLAs)为中心，这使得接收器能在器件的**点(sweet spot)工作，从而能减少抖动和改善性能。
2、由于CML和LVPECL并非工业标准，因此对器件的阈值并无硬性规定。假定驱动器和接收器有可能来自不同的厂商，则交流耦合能消除不同厂商的产品之间存在的任何阈值差异所造成的影响。
3、交流耦合可以消除驱动器和接收器之间存在的任何直流偏置，因此对于各种技术之间的转换来说十分有效。
4、采用交流耦合的另一个理由是可防止在两个板卡或两个系统的地线之间出现电位差，如果一个电缆连接的两个硬件的地线存在电位差，则相应的电压差会影响到差分对的工作一或者在极端情况下会造成可靠性的问题。交流耦合则可以消除直流电位差，从而避免了这一问题。

交流耦合一般出现在采用高信号速率和使用CML与LVPECL器件的应用情形中。事实上许多器件在内部的接收器终接处集成了电容器。不过交流耦合的一个缺点是需要使用有直流平衡的数据信号。
一种能同时具备交流耦合和直流耦合优点的创新性IO是DS64EV400可调均衡器的输入级，该器件可以像交流耦合那样容忍阈值和共模平移上的波动，但不需要采用有直流平衡的数据。

四、直流平衡

直流平衡是指在一组数据中1和0的绝对数量之间的差异大小，如果1和0的总数相等，则可以认为是“直流平衡”。直流平衡十分重要，这是因为在使用隔直电容时，电流仅仅在状态切换时流入接收器的终接网络。如果没有切换，则两个接收器端子上的电荷将缓慢地向著同一个量值衰减，从而减小了噪声裕量。

直流平衡是什么意思呢？如上图所示，由于我们的串行链路中会有交流耦合电容，信号频率越高，阻抗越低，反之频率越低，阻抗越高。因此上面的情况，当码型是高频的时候，基本上可以不损耗的传输过去，但是当码型为连续“0”或者“1”的情况时，电容的损耗就很大，导致幅度不断降低，带来的严重后果是无法识别到底是“1”还是“0”。因此编码就是为了尽量把低频的码型优化成较高频的码型，从而保证低损耗的传输过去。

如图所示出了交流耦合电路在启动时的变化过程的示例。最初，两个输入端都为1.2V的电位，而随著第一个正向跳变位到达时，每个端子都跟随著输入波形发生变化，产生极性相反、幅值最大的漂移，随著接下来的负向跳变位的到来，两个端子间的差分电压变得很小，此时出现错误位的概率就很高，在发送了足够数量的平衡的位信息（即1和0的数量相等）后，接收器的每个端子的电位都在1.0V和1.4V之间切换，从而达到最高的噪声裕量该示例属于通电启动时的动态过程，但与传输一长串极性相同的位信息或者非平衡数据的情形很类似，非平衡的数据会缩减噪声裕量，因为接收器端子之间的差分信号无法始终保持为最大值。

交流耦合可以消除驱动器和接收器之间存在的直流偏置。但是电容将隔断信号的全部直流分量，因此，接收器端只会观察到输入信号的前沿和后沿。当数据 0 或 1 连续出现时，电容会造成接收端电压下降，信号产生抖动。交流耦合传输过程中需要使用直流平衡的数据信号。在使用隔直电容时，电流仅在状态切换时流入接收器的终接网络。因此 0 或 1 连续出现时间过长会影响信号传输。而直流平衡可以减少 0 或 1 连续出现的情况。

五、8b/10b编码方案

1、8b/10b的定义

为可以确保高水平的直流平衡信号，则应采用各种编码方案，如常见的8b/10b。虽然直流平衡是指整个数据组的，但还有其他的一些衡量指标可以反映在短期内器件性能偏离理想值的情况。

8b/10b编码是指将8b的数据通过某种编码规则扩展成10b，保证数据流中的“0”和“1”数量基本一致，通过降低效率来增加传输的数据恢复的可靠性。8b/10b编码的特性之一是保证DC 平衡，采用8b/10b编码方式，可使得发送的“0”、“1”数量保持基本一致，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”，从而保证信号DC平衡，它就是说，在链路超时时不致发生DC失调。

2、8b/10b 主要优点

保证直流（DC）平衡
有利于提取时钟时钟恢复是依赖于“电平跳变沿“，所以平衡”0“和”1“，可以简化了时钟恢复，降低了接收机成本。
方便错误检查 8B/10B编码采用冗余方式，将8位的数据和一些特殊字符按照特定的规则编码成10位的数据，根据这些规则，能检测出传输过程中单个和多个比特误码。

具体8b/10b编码原理见地址：SerDes 基础详解_使用serdes通行范例-CSDN博客

六、交流耦合电容的选用

RC时间长度、数据位的宽度、运行长度决定了交流耦合所造成的信号衰减（下降）幅度的大小。为了节省电路板的空间，应该采用尺寸较小的电容器，但是体积较大的电容可以减小信号的衰落。以下等式提供了一种方法，用于粗略估算和确保信号衰减仅为0.25 dB(3%）时所需的电容值。

高速应用所采用的电容值一般在0.1 uF~0.01 uF之间。

交流耦合造成低频分量损失，过零点漂移

为防止连零和连1 序列造成负载电压有较大下降，我们可以把耦合电容与负载组成的高通网络的3dB 转角频率降低，下面主要从时域对此进行分析，我们知道一级高通RC 网络的时域响应为：

NRZ 数据信号经过电容耦合至50Ω的负载上，信号这时的摆动则以0 为基准。我们把信号幅度以VP-P进行归一化处理，电压幅度归一化为±0.5VP-P。假定负载最初充电电压为V0+=0.5VP-P，最终电压为V∞=0。τ为HPF 的时常数，则经过一段时间t 后，负载电压下降ΔV为：

如允许在时间t 时，功率下降0.25dB，则ΔV/ VP-P = 6%；

如果我们定义TB为数据每比特周期，NCID为最大容许的连零或连1 数目，负载阻抗R=50 Ω，C 为耦合电容，则t=NCID·TB，τ=R·C，C 可通过下面式子估算：

我们以2.488Gbps 的系统为例，TB = 400ps，NCID = 100bit，通过计算得C =6.2nF。下面计算该电容造成的过零点偏移大小：

tr在这里指NRZ 信号幅度从20%到80%的上升时间，一般可通过下式估算：

BW 指系统带宽，通常为0.6~1 倍数据速率，对于2.5Gbps 系统，如果取tr=120ps，C=6.2nF，计算得LFPDJ等于13ps，如果把C 增加到100nF，这时LFPDJ将小于1ps，可以忽略不计。

七、AC耦合为何必须使用直流均衡信号

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。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。

非直流平衡信号是不带任何编码方案的信号，直流平衡信号是带有编码方案的信号，比如8b/10b编码。

1、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。

2、解决思路

1.电容的基本概念

电容的定义如公式1所示。