揭秘以太網接口在印制電路板上的實現

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

　　我們現今使用的網絡接口均為以太網接口，目前大部分處理器都支持以太網口。目前以太網按照速率主要包括10M、10/100M、1000M三種接口，10M應用已經很少，基本為10/100M所代替。目前我司產品的以太網接口類型主要采用雙絞線的RJ45接口，且基本應用于工控領域，因工控領域的特殊性，所以我們對以太網的器件選型以及PCB設計相當考究。從硬件的角度看，以太網接口電路主要由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上實現。 

　　下圖 1以太網的典型應用。我們的PCB設計基本是按照這個框圖來布局布線，下面我們就以這個框圖詳解以太網有關的布局布線要點。 

圖 1 以太網典型應用

　　1. 圖 2網口變壓器沒有集成在網口連接器里的參考電路PCB布局、布線圖，下面就以圖 2介紹以太網電路的布局、布線需注意的要點。 


　　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、走線或磁性元件周圍，PHY層芯片和變壓器之間的距離盡可能短，但有時為了顧全整體布局，這一點可能比較難滿足，但他們之間的距離大約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，通常每個電源端都需放置一個退耦電容，他們可以為信號提供一個低阻抗通路，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、過孔、焊盤組成的環路面積盡量小，保證引線電感盡量小; 

　　c) 網口變壓器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，保證引線短，分布電感小; 

　　d) 網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圈用單獨的隔離地，隔離區域100mil以上，且在這個隔離區域下沒有電源和地層存在。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參考平面耦合到次級; 

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

　　g) 用于連接GND和PGND的電阻及電容需放置地分割區域。 

　　2. 以太網的信號線是以差分對(Rx±、Tx±)的形式存在，差分線具有很強共模抑制能力，抗干擾能力強，但是如果布線不當，將會帶來嚴重的信號完整性問題。下面我們來一一介紹差分線的處理要點： 

　　a) 優先繪制Rx±、Tx±差分對，盡量保持差分對平行、等長、短距，避免過孔、交叉。由于管腳分布、過孔、以及走線空間等因素存在使得差分線長易不匹配，時序會發生偏移，還會引入共模干擾，降低信號質量。所以，相應的要對差分對不匹配的情況作出補償，使其線長匹配，長度差通常控制在5mil以內，補償原則是哪里出現長度差補償哪里; 

　　b) 當速度要求高時需對Rx±、Tx±差分對進行阻抗控制，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) 差分線對上的濾波電容必須對稱放置，否則差模可能轉成共模，帶來共模噪聲，且其走線時不能有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電路的PCB布局、布線較不集成的相對簡單很多，下圖 3是采用一體化連接器的網口電路的PCB布局、布線參考圖： 

圖 3一體化連接器的網口PCB布局、布線參考圖

　　從上圖可以看出，圖 3和圖 1的不同之處在于少了網口變壓器，其它大體相同。不同之處主要體現在網口變壓器已集成至連接器里，所以地平面無需進行分割處理，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。 

　　以太網布局布線方面的要大致就這些，好的PCB布局布線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。