揭秘以太網(wǎng)接口在印制電路板上的實(shí)現

　　上世紀70年代以太網(wǎng)誕生了，發(fā)展至如今我們對它并不陌生，浮現在現代化生活的每一個(gè)角落，或許正因它的無(wú)所不在讓其帶著(zhù)神秘的色彩，今天我們將從其中一個(gè)角度揭開(kāi)其神秘的面紗。

　　我們現今使用的網(wǎng)絡(luò )接口均為以太網(wǎng)接口，目前大部分處理器都支持以太網(wǎng)口。目前以太網(wǎng)按照速率主要包括10M、10/100M、1000M三種接口，10M應用已經(jīng)很少，基本為10/100M所代替。目前我司產(chǎn)品的以太網(wǎng)接口類(lèi)型主要采用雙絞線(xiàn)的RJ45接口，且基本應用于工控領(lǐng)域，因工控領(lǐng)域的特殊性，所以我們對以太網(wǎng)的器件選型以及PCB設計相當考究。從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC(Media Access Controlleroler)控制和物理層接口(Physical Layer，PHY)兩大部分構成。大部分處理器內部包含了以太網(wǎng)MAC控制，但并不提供物理層接口，故需外接一片物理芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。面對如此復雜的接口電路，相信各位硬件工程師們都想知道該硬件電路如何在PCB上實(shí)現。

　　下圖 1以太網(wǎng)的典型應用。我們的PCB設計基本是按照這個(gè)框圖來(lái)布局布線(xiàn)，下面我們就以這個(gè)框圖詳解以太網(wǎng)有關(guān)的布局布線(xiàn)要點(diǎn)。

　　圖 1 以太網(wǎng)典型應用

　　1. 圖 2網(wǎng)口變壓器沒(méi)有集成在網(wǎng)口連接器里的參考電路PCB布局、布線(xiàn)圖，下面就以圖 2介紹以太網(wǎng)電路的布局、布線(xiàn)需注意的要點(diǎn)。

　　圖 2變壓器沒(méi)有集成在網(wǎng)口連接器的電路PCB布局、布線(xiàn)參考

　　a) RJ45和變壓器之間的距離盡可能的短，晶振遠離接口、PCB邊緣和其他的高頻設備、走線(xiàn)或磁性元件周?chē)?，PHY層芯片和變壓器之間的距離盡可能短，但有時(shí)為了顧全整體布局，這一點(diǎn)可能比較難滿(mǎn)足，但他們之間的距離最大約10~12cm，器件布局的原則是通常按照信號流向放置，切不可繞來(lái)繞去;

　　b) PHY層芯片的電源濾波按照要芯片要求設計，通常每個(gè)電源端都需放置一個(gè)退耦電容，他們可以為信號提供一個(gè)低阻抗通路，減小電源和地平面間的諧振，為了讓電容起到去耦和旁路的作用，故要保證退耦和旁路電容由電容、走線(xiàn)、過(guò)孔、焊盤(pán)組成的環(huán)路面積盡量小，保證引線(xiàn)電感盡量小;

　　c) 網(wǎng)口變壓器PHY層芯片側中心抽頭對地的濾波電容要盡量靠近變壓器管腳，保證引線(xiàn)最短，分布電感最小;

　　d) 網(wǎng)口變壓器接口側的共模電阻和高壓電容靠近中心抽頭放置，走線(xiàn)短而粗(≥15mil);

　　e) 變壓器的兩邊需要割地：即RJ45連接座和變壓器的次級線(xiàn)圈用單獨的隔離地，隔離區域100mil以上，且在這個(gè)隔離區域下沒(méi)有電源和地層存在。這樣做分割處理，就是為了達到初、次級的隔離，控制源端的干擾通過(guò)參考平面耦合到次級;

　　f) 指示燈的電源線(xiàn)和驅動(dòng)信號線(xiàn)相鄰走線(xiàn)，盡量減小環(huán)路面積。指示燈和差分線(xiàn)要進(jìn)行必要的隔離，兩者要保證足夠的距離，如有空間可用GND隔開(kāi);

　　g) 用于連接GND和PGND的電阻及電容需放置地分割區域。

　　2. 以太網(wǎng)的信號線(xiàn)是以差分對(Rx±、Tx±)的形式存在，差分線(xiàn)具有很強共模抑制能力，抗干擾能力強，但是如果布線(xiàn)不當，將會(huì )帶來(lái)嚴重的信號完整性問(wèn)題。下面我們來(lái)一一介紹差分線(xiàn)的處理要點(diǎn)：

　　a) 優(yōu)先繪制Rx±、Tx±差分對，盡量保持差分對平行、等長(cháng)、短距，避免過(guò)孔、交叉。由于管腳分布、過(guò)孔、以及走線(xiàn)空間等因素存在使得差分線(xiàn)長(cháng)易不匹配，時(shí)序會(huì )發(fā)生偏移，還會(huì )引入共模干擾，降低信號質(zhì)量。所以，相應的要對差分對不匹配的情況作出補償，使其線(xiàn)長(cháng)匹配，長(cháng)度差通?？刂圃?mil以?xún)?，補償原則是哪里出現長(cháng)度差補償哪里;

　　b) 當速度要求高時(shí)需對Rx±、Tx±差分對進(jìn)行阻抗控制，通常阻抗控制在100Ω±10%;

　　c) 差分信號終端電阻(49.9Ω，有的PHY層芯片可能沒(méi)有)必須靠近PHY層芯片的Rx±、Tx±管腳放置，這樣能更好的消除通信電纜中的信號反射;

　　d) 差分線(xiàn)對上的濾波電容必須對稱(chēng)放置，否則差?？赡苻D成共模，帶來(lái)共模噪聲，且其走線(xiàn)時(shí)不能有stub ，這樣才能對高頻噪聲有良好的抑制能力。

　　3. 變壓器集成在連接器的以太網(wǎng)電路的PCB布局、布線(xiàn)較不集成的相對簡(jiǎn)單很多，下圖 3是采用一體化連接器的網(wǎng)口電路的PCB布局、布線(xiàn)參考圖：

　　圖 3一體化連接器的網(wǎng)口PCB布局、布線(xiàn)參考圖

　　從上圖可以看出，圖 3和圖 1的不同之處在于少了網(wǎng)口變壓器，其它大體相同。不同之處主要體現在網(wǎng)口變壓器已集成至連接器里，所以地平面無(wú)需進(jìn)行分割處理，但我們依然需要將一體化連機器的外殼連接到連續的地平面上。

　　以太網(wǎng)布局布線(xiàn)方面的要大致就這些，好的PCB布局布線(xiàn)不僅可以保證電路性能，還可以提高電路性能，筆者水平有限，不足之處歡迎指正交流。