Основы применения Gigabit Ethernet в печатных платах

0
2247
Основы применения Gigabit Ethernet в печатных платах

В данной статье приведено руководство по применению интерфейса Ethernet (в частности – гигабитного Ethernet) в проектах электроники. Рассмотрена история появления протокола Ethernet, его теоретические основы и преимущества над другими интерфейсами. Достаточно подробно разобраны аспекты, связанные с выбором определенных конструктивных решений для проектов электроники, где планируется использование Ethernet, а также возможные узкие места. Даны общие правила и рекомендации по конструированию печатных плат с интерфейсом Ethernet.

На этапе системного планирования любого серьезного проекта, связанного с разработкой оборудования, в него включается, по крайней мере, один канал связи Ethernet в качестве стандартной опции, и в этой статье мы собираемся подробно обсудить использование интерфейса Ethernet на печатных платах.

В моем сообществе Altium (в Discord) вопрос о том, как реализовать Ethernet, возникает каждые несколько месяцев. Часто можно встретить общие ответы на вопросы об импедансе, но никто не обладает фантастическим ресурсом, на который можно было бы ссылаться, и который охватывает все с самого начала. Это руководство — то, что вам нужно, если вы готовы добавить Ethernet, особенно гигабитный Ethernet, в свое электронное устройство и вы хотите разобраться в этом вопросе в кратчайшие сроки.

Прежде чем мы начнем, эта статья не предполагает создание собственного проекта — мы не станем создавать конкретное устройство с готовыми решениями. Тем не менее, я знаю, что всем нравится смотреть на схемы, а не просто читать страницы технической информации, поэтому я добавил пример схемы из GitHub с реализацией гигабитного Ethernet-трансивера PHY на микросхеме Microchip KSZ9131RNX. Мы рассмотрим, что же такое PHY позже, однако я знаю что наличие реального проекта может помочь некоторым читателям проще понять суть материала, ведь у них перед глазами будет схема, к которой можно применить данную статью. В статье имеются скриншоты электрических схем. Однако их намного проще просматривать с помощью Altium Designer®, чем в виде изображений в блоге.

Протокол Ethernet был стандартизирован в 1980-х годах и быстро эволюционировал со скорости в 10 Mбит/с до 10 Гбит/с и более. Современные технологии Fast Ethernet (100BASE-TX) и Gigabit Ethernet (1000BASE-T) являются достаточно стандартными, если в качестве физической среды передачи используется медный провод (витая пара). С другой стороны, если предпочтительны оптоволоконные кабели, то может быть достигнута пропускная способность передачи более 10 Гбит/с. Следует отметить, что эти скорости передачи являются теоретическими максимальными значениями. Всегда будут узкие места, ограничивающие реальную пропускную способность, такие как быстродействие контроллера и/или процессора, а также неблагоприятные воздействия, вызванные несовершенствами трассировки печатной платы (включая перекрестные помехи, несоответствия импедансов, максимальную длину трассы). Мы рассмотрим компоновку печатной платы и вопросы трассировки в конце статьи, когда поймем, как работает Gigabit Ethernet и какие компоненты для него требуются.

Возможно, вы уже имеете некоторое представление о реализации Gigabit Ethernet, возможно, вам даже удалось реализовать рабочий интерфейс Gigabit Ethernet, или это может быть первый раз, когда вы погрузились в разработку высокоскоростного цифрового интерфейса. Эта статья является руководством для проектировщиков, и даёт всё что нужно, от теоретических основ до практических аспектов схемотехнического проектирования и проектирования изделия. Даже если вы являетесь экспертом в области цифровых интерфейсов, эта статья может быть полезна в качестве контрольного списка или поводом вспомнить основы. Вы должны знать, что для облегчения чтения этой статьи некоторые блоки или компоненты не будут описаны в некоторых разделах, но эти пробелы будут заполнены в следующих разделах.

Основы Gigabit Ethernet

Прежде чем перейти к проектированию оборудования, будет полезным вкратце понять, какие типы данных передаются из реального мира в контроллер с точки зрения сети. Общая 7-уровневая модель OSI повсеместно используется для обозначения структуры групп данных всех протоколов связи, а Ethernet, как определено стандартом IEEE802.3, объединяет некоторые уровни модели OSI всего в четыре уровня, как показано на Рисунке 1.

Рисунок 1. 7 -уровневая модель OSI и уровни протокола Ethernet.
Рисунок 1. 7 -уровневая модель OSI и уровни протокола Ethernet.

Сферы интересов разработчиков оборудования — это «Physical layer (Физический уровень или PHY)» и «Data link layer (Уровень канала передачи данных)», в то время как другие уровни в первую очередь представляют интерес для разработчиков программ и прошивок, сетевых библиотек и разработчиков приложений, а также для экспертов по кибербезопасности.

По определению, данные Ethernet, передаваемые по медному кабелю витой пары, являются частью Физического уровня до тех пор, пока не достигнут устройства. На уровне канала передачи данных, данные раскладываются в формат, понятный сетевому стеку, встроенному в контроллер. Проще говоря, Физический уровень аналогичен дорогам и грузовикам, перевозящим почту. Напротив, уровень канала передачи данных соответствует конверту, который содержит адресную информацию, необходимую для того, чтобы отличить одно почтовое сообщение от другого. Мы рассмотрим более подробное объяснение того, как эти сетевые уровни соотносятся с эквивалентной информацией на уровне ИС, далее в статье.

Почему выбирают Gigabit Ethernet?

Если проанализировать историю эволюции протокола Ethernet, становится очевидным существенное улучшение скорости, которое происходит с каждым новым поколением. Исходя из скорости и пропускной способности оборудования, очевидным выбором для применения в современном проекте станет Gigabit Ethernet. Когда дело доходит до различных сред, допустим, при выборе в качестве канала передачи данных Wi-Fi, чтобы избежать необходимости в кабелях, определенно будут некоторые преимущества и недостатки по сравнению с Ethernet, как можно увидеть в следующих примерах:

  • Скорость: максимальная теоретическая скорость WiFi, работающего в соответствии со стандартом IEEE 802.11g, составляет 54 Мбит/с, что явно не сопоставимо со скоростями 100 Мбит/с Ethernet или Gigabit Ethernet. Однако Wi-Fi, работающий в соответствии со стандартом IEEE 802.11ac, предлагает теоретическую скорость до 3,2 Гбит/с, что в три раза быстрее, чем гигабитный Ethernet. Следует отметить, что все адаптеры и точки доступа Wi-Fi должны быть совместимы со стандартом 802.11ac, чтобы обеспечить такую ​​скорость передачи данных. Теоретическая скорость соединения Wi-Fi часто невозможна в реальном мире, поскольку редко можно встретить идеальную линию прямой видимости между устройствами.
  • Надежность: проводные соединения могут быть разведены как сеть «точка-точка», и если нет обрывов кабеля или неисправностей сокетов, прерывание сетевого трафика маловероятно. Это делает работу проводной сети очень согласованной с точки зрения скорости и задержки. С другой стороны, Wi-Fi подвержен помехам от других беспроводных устройств, а также ухудшению сигнала из-за атмосферных явлений и воздействия препятствий, таких как стены зданий. Простое изменение влажности может сильно повлиять на скорость, поскольку беспроводной сигнал ослабляется атмосферной влажностью. Надежность также зависит от теоретической и практической разницы в скорости, которая гораздо более ощутима при использовании Wi-Fi.
  • Безопасность: Wi-Fi передает свой трафик по воздуху, а это означает, что приемник в пределах досягаемости может легко фиксировать сетевую активность, если трафик не защищен паролем/не зашифрован с помощью известного алгоритма безопасности. Ваш трафик может быть в большей безопасности при использовании проводных соединений, где незаметный  перехват трафика является более сложной задачей.
  • Простота использования: если вам не нравится ограничиваться использованием кабелей или вы работаете в месте, где прокладка кабелей является проблемой, то выбор Wi-Fi может сделать сетевое подключение более доступным.

За исключением проектирования устройств IoT, разработчик оборудования часто использует интерфейс Ethernet для связи с другими системами, особенно для передачи объемных данных и файлов мониторинга. Надежности и скорости Ethernet сложно соответствовать, но надежность и скорость упрощают инженерные решения и разработку аппаратного и микропрограммного обеспечения. Использование проводного соединения также дает еще одно преимущество: затраты на сертификацию могут быть намного ниже, если устройства не использует радиопередачу, поскольку устройство будет сертифицировано как непреднамеренный излучатель.

Вы могли бы подумать, а почему бы тогда не использовать интерфейс USB вместо соединения Ethernet? Оба протокола используют проводные соединения, и с недавним развитием технологии USB стандартные интерфейсы USB 3.x имеют номинальную скорость, аналогичную или превышающую скорость гигабитного Ethernet (USB 3.1: ~ 10 Гбит/с). Должны ли мы тогда заменить все оборудование Ethernet на USB 3.x? Прежде чем сделать свой выбор, подумайте, согласны ли вы довольствоваться следующим:

  • Меньшая длина кабеля (пара метров вместо ~ 100 метров для Ethernet)
  • Двухточечное соединение вместо многоточечного соединения
  • USB не предлагает стандартной сети, поэтому передача данных на удаленный веб-сервер / базу данных / файловый сервер является проблемой.

Если вас не пугают эти ограничения, почему бы не попробовать USB3.x вместо Ethernet. Обратите внимание, что эти ограничения приведены не для очернения технологии USB3.x; Выберете ли вы USB или Ethernet, зависит от того, что нужно именно вам для конкретного приложения.

Для Ethernet самым важным моментом является использование оптического канала связи вместо медного кабеля, это вариант, который расширяет почти все ограничения по скорости, задержке и длине кабеля. Однако о волоконно-гигабитном Ethernet мы поговорим в другой раз и не будем рассматривать в этой статье.

Ethernet — очень удобная технология, обеспечивающая прямой доступ к стандартным сетевым протоколам и системам. Если сеть, к которой подключено ваше устройство, имеет доступ в Интернет, передача данных на удаленные серверы, такие как облачные провайдеры, является относительно тривиальной задачей, когда дело доходит до разработки программного обеспечения/прошивки. Ethernet позволяет использовать уже существующую инфраструктуру. Wi-Fi очень удобен, но сопряжен с рисками и штрафами, которые могут быть приемлемыми или неприемлемыми для вашего устройства. USB — распространенный стандарт, доступный на многих устройствах. Однако ваше устройство должно находиться в непосредственной близости от хоста или клиентского устройства, для чего требуется установить на него специальное программное обеспечение, для обеспечения связи с вашим продуктом. Ethernet не всегда является лучшим, но зачастую является очень хорошим решением для организации обмена данных.

Подробнее о разъеме RJ-45

Рисунок 2. Распиновка сигналов на разъемах Fast и Gigabit Ethernet.
Рисунок 2. Распиновка сигналов на разъемах Fast и Gigabit Ethernet.

С незапамятных времен для интерфейсов Ethernet использовались розетки и вилки типа RJ-45 с витой парой медных кабелей. Наиболее распространенной структурой кабеля является «Неэкранированная витая пара (UTP)», которая классифицируется в соответствии с максимальной несущей частотой от Категории 1 (Cat1) до Категории 8 (Cat8). Несущая частота определяет скорость передачи, и для получения правильных скоростей для вашего гигабитного Ethernet всегда следует использовать кабель категории Cat5 или выше.

Совет: выбор разъема RJ-45 для вашей печатной платы следует проводить очень тщательно, так как некоторые разъемы имеют низкопрофильный вариант, для которого потребуется вырез в плате под разъемом. Также обратите внимание на то, что некоторые разъемы RJ-45 включают в себя схему оконечной магнитной нагрузки (известной как “Оконечная нагрузка Боба Смита”), встроенную в соединитель (иногда называемую соединителями MagJack).

Как видно на Рисунке 2, кабели UTP имеют четыре витые пары, где каждой паре назначен один положительный и один отрицательный сигнал. В то время как Ethernet 10/100 Мбит/с использует только две пары, Gigabit Ethernet использует все четыре пары для полнодуплексной связи и отличается от Fast Ethernet, поскольку все четыре пары, используемые Gigabit Ethernet, являются двунаправленными. Здесь, вероятно, возникнут два вопроса: почему они используют витые пары и почему для каждой пары имеется один положительный и один отрицательный сигнал?

Короткий ответ заключается в том, что обе эти функции используются для уменьшения воздействия электромагнитного излучения и помех. Параллельные кабели в пучке (не скрученные) могут легко создавать помехи друг другу, поскольку кабель действует как индуктивная катушка с током и создает магнитное поле. Метод дифференциальной передачи является отличной отправной точкой для предотвращения эффекта магнитного поля, поскольку в этом методе используются два кабеля, один для исходного сигнала, а другой для перевернутой копии сигнала, каждый из которых создает равное и противоположное по знаку магнитное поле, которые нейтрализуют влияние друг друга.

Хотя дифференциальные приемники по своей конструкции устойчивы к синфазному шуму, если положительный и отрицательный сигнальные кабели не равно удалены от источника шума, синфазный шум может быть преобразован в дифференциальный шум. Эта проблема решается путем скручивания пар положительного и отрицательного сигналов. Это обеспечивается, близким расположением пар друг к другу по всей длине кабеля. Вариант этого метода — трассировка дифференциальной пары — широко распространенный метод, используемый при разводке печатных плат для критичных сигналов.

Другая проблема высокоскоростной связи — отражение сигналов. Если есть какие-либо рассогласования импеданса на пути прохождения сигнала, максимальная мощность не будет передаваться дальше за эту точку, а часть энергии сигнала будет отражена обратно к источнику. Если импеданс более длинных кабелей и/или дорожек на печатной плате не согласован, качество сигнала может ухудшиться до такой степени, что это приведет к сбою связи.

Таким образом, кабель UTP имеет четыре сбалансированных витых пары с характеристическим сопротивлением 100 Ом для уменьшения отражений, и эти пары скручены с разным коэффициентом поворота, чтобы уменьшить перекрестные помехи между парами. С точки зрения производства кабелей, промышленность обеспечивает со своей стороны все возможное, и в этой статье вы узнаете, как выполнить наилучшую компоновку и трассировку печатной платы, чтобы избежать каких-либо побочных эффектов, связанных с помехами или потерями сигнала.

Интерпретация сигналов Ethernet на печатной плате

Даже когда мы говорим о высокоскоростных цифровых интерфейсах, было бы неправильно не напомнить, что реальный мир — это все-таки «аналоговая» среда. Вся информация, передаваемая по кабелю, должна быть соответствующим образом оцифрована в соответствии с требуемым протоколом контроллера, независимо от его архитектуры.

Если вспомнить модель OSI и уровни протокола Ethernet, первым из них является «Физический уровень» (PHY), который начинается с кабеля и продолжается до тех пор, пока модулированный реальный сигнал не будет принят/передан интегральной схемой устройства PHY. Интегральная схема PHY — это приемопередатчик интерфейса Ethernet, который обрабатывает операции кодирования/декодирования в соответствии с протоколом и включает «Зависимый от среды интерфейс (Medium-Dependent Interface MDI)» для связанной среды передачи данных (т.e. кабель UTP в случае Gigabit Ethernet).

Рисунок 3. Демонстрация 10/100 Мбит / с Ethernet PHY и MAC (модуляция PAM-5 для 1 Гбит / с)
Рисунок 3. Демонстрация 10/100 Мбит / с Ethernet PHY и MAC (модуляция PAM-5 для 1 Гбит / с)

Второй уровень — это «Уровень канала передачи данных (Data Link Layer)», реализованный в «Контроллере доступа к среде (Media Access Controller — MAC)», который является промежуточным контроллером между PHY и микропроцессором, имеющим сетевой стек в своей прошивке.

После того, как PHY завершил свою работу с битами сигнала, он напрямую отправляет их через «Независимый от среды интерфейс (Medium-Independent Interface — MII)» на контроллер MAC, который создает и проверяет структуру кадра в соответствии с определенным протоколом. PHY использует MDI для подключения RJ-45. MII используется для интерфейса между PHY и MAC.

При внедрении интерфейса Gigabit Ethernet в свою систему разработчик оборудования обычно имеет три варианта:

При внедрении интерфейса Gigabit Ethernet в свою систему разработчик оборудования обычно имеет три варианта

Поскольку пропускная способность данных для интерфейсов Gigabit (1/10 + Гбит/с) настолько высока, для связи устройств обработки требуется высокоскоростная шина, такая как PCI, PCIe, USB3.x или 16-/32-битная параллельная шина, которые не имеют встроенного MAC. Большинство высокопроизводительных микропроцессоров и систем-на-кристалле (SoC) (например, NXP i.MX6 и i.MX8, Xilinx Zynq-7000 SoC, TI Sitara) имеют встроенный гигабитный контроллер MAC для обработки передачи данных с высокой пропускной способностью и собственный сетевой стек внутри.

Напротив, некоторые MCU среднего уровня (например, ST STM32F4 и многие другие серии ARM Cortex или Microchip PIC32M) имеют встроенный MAC-адрес Ethernet 10/100 Мбит/с. Хотя мы упомянули третий вариант, нелегко найти комбинацию Gigabit PHY и MAC в одной сборке. Итак, мы только что включили эту опцию для полноты картины; например, Microchip LAN7430 и LAN7850 доступны на рынке.

Кроме того, серия Intel 825xx — еще один вариант, но поставщики универсального оборудования не имеют их на складе, а доступность зависит от минимальных объемов заказа (Minimum Order Quantities — MOQ) и соглашений о неразглашении (Non-Disclosure Agreements — NDA). С другой стороны, для варианта 10/100 Мбит/с вы можете найти многие из этих устройств в платах любительского уровня, таких как ENJ2860, ENC424J600 и W5100 / W5500, с интерфейсом для шины последовательного периферийного интерфейса  (Serial Peripheral Interface — SPI).

В общем, второй вариант из выше упомянутых всегда предпочтительнее, если устройство обработки имеет необходимый MAC-интерфейс (MII) для требуемого количества гигабитных интерфейсов в проекте. Даже при ограниченном количестве интерфейсов MAC, на стороне процессора использование коммутаторов Ethernet на уровне ИС, может решить любые проблемы, если все интерфейсы Ethernet работают на одном уровне конфиденциальности сети.

Использование протокола в оборонной промышленности может потребовать физического разделения интерфейсов по соображениям безопасности. Основываясь на информации, которую мы уже рассмотрели, мы выбрали в качестве примера конструкцию, которая будет основана на использовании дискретного PHY и интегрированного MAC.

Прежде чем идти дальше, давайте посмотрим, какие поставщики обычно имеют в наличии популярные дискретные гигабитные микросхемы PHY и MAC. Обратите внимание, что конкретные критерии выбора и анализ их характеристик будут рассмотрены в следующих разделах. Подходящими устройствами являются KSZ9031, KSZ9131, VSC8211 и VSC8501 (все от Microchip / Microsemi), ADIN1300 (Analog Devices), MAX3956 (Maxim) и DP83867 (Texas), которые обычно поставляются с гигабитными микросхемами PHY. Broadcom — еще один производитель гигабитных устройств PHY (серии BCM546x и BCM548x), но они, как правило, на складе отсутствуют экземпляры с высоким MOQ и/или имеющие длительное время поставки.

LAN7431 и LAN7801 (Microchip), BCM5727 и BCM5720 (Broadcom) — это все микросхемы гигабитных контроллеров MAC, которые можно найти на рынке.

Совет: при выборе обратите внимание на требования окружающей среды к интегральным схемам. Перепроверьте свои потребности с точки зрения рабочей температуры, соответствия требованиям ROHS и чувствительности к влаге в дополнение к электрическим требованиям, таким как уровень напряжения, площадь основания устройства и т.д.

Рисунок 4. Примеры блок-схемы High-End MPU и SoC
Рисунок 4. Примеры блок-схемы High-End MPU и SoC

Примеры блок-схемы High-End MPU и SoC

Магнетики

До этого момента мы говорили, что данные Ethernet проходят через кабель UTP, через разъем RJ-45, а затем передаются через MDI на PHY. Однако стандарт IEEE 802.3 Ethernet утверждает, что PHY должен быть гальванически изолирован от среды передачи. Это требование изоляции обусловлено двумя основными причинами. Первая связана с возможным смещением заземления между устройствами, расположенными далеко друг от друга. Вторая — защита всех устройств от сбоев линии, таких как короткое замыкание на высоковольтную шину, скачок напряжения или электростатический разряд. Хотя стандарт Ethernet не определяет строго способ изоляции, использование трансформатора или оптопары обычно является предпочтительным вариантом. Однако изоляция с помощью трансформатора имеет несколько больших преимуществ при использовании в составе Ethernet, и соответственно применяется чаще. Преимущества использования развязывающего трансформатора 1:1:

  • Нет необходимости в подаче напряжения на изолированной стороне, поскольку сигнал передается напрямую через трансформатор.
  • Сигналы Ethernet (даже 10 Мбит/с) слишком быстры для большинства оптоизоляторов, а трансформаторы дешевле и проще в поставке.
  • По самой своей природе трансформаторы имеют очень высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), что делает их идеальными для дифференциальной связи. Любое синфазное напряжение, приложенное к обеим клеммам трансформатора, отклоняется, и только дифференциальное напряжение между клеммами передается на изолированную сторону.
  • Поскольку пары MDI представляют собой сбалансированные дифференциальные пары с регулируемым импедансом (Z0 = 100 Ом), они должны быть строго согласованы с характеристическим сопротивлением кабеля витой пары. Предположим, что кабельные пары имеют импеданс, отличный от пар MDI. В этом случае трансформатор представляет собой идеальную точку для преодоления любого несоответствия импеданса, позволяя передавать сигнал без отражения из-за согласованного импеданса. Кроме того, как мы обсудим в следующих разделах, некоторые приемопередатчики PHY могут быть основаны на несбалансированных па рах MDI, а трансформаторы идеально подходят для использования в качестве преобразователя BALUN (балансный-несимметричный).
  • Защита изоляции от высокого напряжения (стандарт требует устойчивости к 1500 В переменного тока при 50/60 Гц в течение 60 секунд между парами или между одной парой и заземлением шасси) легко достигается при использовании гальванической изоляции, которая защищает сторону PHY от воздействия электростатических разрядов.

Из недостатков использования трансформатора стоит отметить, что он блокирует составляющую постоянного тока и не очень эффективен на низких частотах. Однако это можно легко решить с помощью схемы модуляции и выбора подходящего трансформатора, который соответствует выбранным стандартным определениям протокола Ethernet.

После принятия решения о продолжении использования варианта с трансформатором и после краткого поиска поставщика первый вопрос, который, скорее всего, у вас возникнет, заключается в том, следует ли вам использовать дискретный магнетик или разъем со встроенным магнетиком. К сожалению, идеального ответа нет, и конструктор должен детально проанализировать компромисс между этими вариантами. Сравнение двух вариантов представлено в Таблице 1 ниже (жирный текст обозначает предпочтительный вариант).

Таблица 1. Компромисс между дискретным и интегрированным магнитами

Дискретные магнетики Магнетик интегрированный в RJ-45
Расходы Дороже из-за использования большего количества компонентов. Дешевле, поскольку количество элементов в спецификации меньше.
Сборка Более сложный с большим количеством припаянных деталей. Это просто соединитель, и он готов к использованию.
Размещение Более сложная и плохая компоновка может свести на нет электрические преимущества использования дискретных магнитов. Более простой и с меньшим риском неправильной компоновки.
Обслуживание Неисправные детали могут быть выявлены и заменены отдельно. В случае выхода из строя весь разъем необходимо заменить, поэтому его обслуживание в долгосрочной перспективе может оказаться более дорогостоящим, чем дискретный вариант.
Перекрестные помехи / ЭМС и электростатические разряды С помощью хорошей компоновки возможность появления перекрестных помех между парами снижается почти до нуля. Поскольку магнитные поля создают изолированную область, электростатические разряды сосредоточены в ограниченной области печатной платы, и не достигают стороны физического уровня. Хотя металлическое экранирование разъема обеспечивает некоторые преимущества в ЭМС, способ с его использованием более восприимчив к перекрестным помехам между парами, и скачки напряжения от электростатического разряда могут повлиять на пару PHY MDI, поскольку трансформатор расположен на небольшой площади.
PHY совместимость Совместим со всеми PHY, так как все соединения отдельно соединяются с контактами. Некоторые соединения с центральным отводом могут быть объединены вместе, чтобы уменьшить количество выводов, а затем подключены к одному выводу, что может вызвать снижение производительности.

В свете представленной информации конструктор должен выбрать наиболее подходящий вариант для своего конкретного случая. Просто отметим, что, исходя из нашего опыта, если есть какие-либо требования к надежности и/или безопасности (например, требования MTBF, FME (C)A в автомобильной и оборонной промышленности), то использование дискретных магнетиков обычно лучший выбор. Для серийно выпускаемых коммерческих проектов и электроники для хобби идеально подходят встроенные магнетики, поскольку они снижают затраты и упрощают процесс проектирования. Здесь для нашего примера будет выбран вариант с дискретным магнетиком. Внутренняя структура, критерии выбора и схемы подключения дискретных магнетиков будут описаны ниже.

Во-первых, выбранный магнетик должен иметь блок трансформатора для каждой из четырех пар, которые используются в приложениях Gigabit Ethernet. Кроме того, даже если это не обязательно, наличие синфазного дросселя (CД) для повышения устойчивости к синфазным помехам всегда является хорошим вариантом. Хотя дифференциальные приемники сами по себе хороши в подавлении синфазного шума (CШ), с помощью СД отношение сигнал/шум и, как следствие, частота ошибок по битам будут улучшены на стороне приемника. Что касается пар передатчиков, СД снижает электромагнитные излучения, вызванные СШ, связанным с парами PHY MDI. Другая необязательная часть магнетика — автотрансформатор, который создает тракт с высоким импедансом для дифференциальных сигналов, создавая тракт с низким импедансом для сигналов СШ.

Рисунок 5. 12 обмоток (3 катушки на порт) и 8 обмоток (2 катушки на порт)
Рисунок 5. 12 обмоток (3 катушки на порт) и 8 обмоток (2 катушки на порт)

Подводя итог, как показано на Рисунке 5 выше, изолирующий трансформатор 1:1 и синфазный дроссель всегда входят в число доступных на рынке магнетиков. Самая простая часть процесса выбора — проверить, что допуск обмотки составляет менее ±5%, и убедиться, что напряжение изоляции, рабочая частота, CMRR и коэффициент перекрестных помех соответствуют стандарту IEEE для Гигабитного Ethernet.

Выбор магнитных элементов с автотрансформатором — это еще один компромисс, который должен учитывать разработчик; обеспечение соответствия требованиям EMI/EMC на уровне системы, а также любые требования, установленные властями, такими как FCC, являются жизненно важными факторами. Выбор магнетика с 12 обмотками увеличит затраты и снизит риск отказа при испытаниях на ЭМС. В качестве альтернативы вариант с 8-обмоточными магнетиками дешевле и обеспечивает хорошую компоновку, но, возможно, потребуется снизить риск отказа при испытании на ЭМС.

Если интерфейс Ethernet является частью цифровой системы, которая генерирует много шума, рекомендуется выбирать опцию 12-обмоточного элемента. Если в таких обстоятельствах требуется 8-обмоток, подумайте о подключении стороны СД к стороне кабеля для улучшения характеристик по электромагнитным помехам (обратите внимание, что подключение их в обратном направлении также будет работать). Если выбрано 12-обмоточное устройство, автотрансформатор должен быть подключен со стороны кабеля для правильной работы. Pulse Electronics, Bel Fuse, Halo, Bourns и TDK, как правило, являются производителями гальванических элементов. Чтобы избежать путаницы при чтении таблицы данных, обычно метки контактов, начинающиеся с «Mx», предназначены для подключения к стороне «носителя» (кабеля), а метки контактов, начинающиеся с «Td», подключаются к стороне PHY.

Решение проблем, связанных с ЭМС, может показаться «черной магией», поэтому перед проведением тестов трудно быть полностью уверенным в том, что уровни будут в установленных пределах. Следовательно, проектировщику необходимо использовать все доступные методы снижения шума и иметь несколько альтернативных вариантов улучшения, готовых снизить риск, чтобы гарантировать, что уровни будут достаточно низкими в окончательном проекте. Независимо от топологии для магнетика, как у развязывающего трансформатора 1:1, так и у автотрансформатора центральные отводы подключены к контактам, чтобы обеспечить дополнительные параметры согласования, фильтрации и смещения.

Согласно патенту Роберта (Боба) В. Смита, взаимосвязи между парами кабеля UTP образуют линии передачи друг относительно друга. Если линия передачи не завершена правильно, то существует вероятность отражения, которое ухудшит качество сигнала. Для предотвращения отражений рекомендуется, чтобы каждый центральный ответвитель на стороне кабеля (включая компоненты с 8 или 12 обмотками) был отдельно терминирован с помощью резистора 75 Ом на магнитную опорную плоскость. Также рекомендуется добавить один высоковольтный конденсатор между согласующим резистором и опорной плоскостью, чтобы сформировать дополнительный фильтр для снижения синфазного шума, аналогично топологии с раздельным терминированием. Обратите внимание, что каждый центральный отвод должен иметь отдельный согласующий резистор, в то время как только один конденсатор подходит ко всем четырем соединениям на плоскость. (См. Рисунки 6 и 7 ниже)

Совет: рекомендуется использовать устойчивые к перенапряжениям оконечные резисторы MELF 75 Ом для повышения устойчивости к электростатическим разрядам на стороне кабеля с магнетиком, хотя монтажники очень не любят резисторы MELF.

Когда дело доходит до центрального отвода на стороне PHY, его обычно следует подключать к сигнальной опорной плоскости с помощью конденсатора для дополнительной фильтрации. Подобно оконечным резисторам Боба-Смита, каждый центральный ответвитель для пар должен иметь свои собственные конденсаторы, чтобы предотвратить протекание паразитного тока между каждой парой. Этот центральный отвод может также использоваться для подачи необходимого синфазного напряжения смещения, необходимого для топологии PHY, и/или подтягивания линии вверх/вниз в соответствии с различными конфигурациями линейного драйвера на стороне PHY. Пожалуйста, внимательно проверьте таблицу данных PHY, чтобы определить, какие конфигурации смещения и линейного драйвера применимы. Они будут обсуждаться далее в следующем разделе.

Рисунок 6. Диаграмма магнетика
Рисунок 6. Диаграмма магнетика
Рисунок 7. Схема магнетика.
Рисунок 7. Схема магнетика.

Гигабитный PHY

Говорят, что PHY является критической точкой, где происходит передача данных Ethernet из «цифрового» мира в «аналоговый» реальный мир и наоборот. Как видно на Рисунке 8 ниже, PHY является последним активным компонентом перед тем, как сигнал поступит на разъем (и на магнетик) во всех трех вариантах конфигурации.

Рисунок 8. Полная блок-схема с параметрами.
Рисунок 8. Полная блок-схема с параметрами.

Во время процесса выбора PHY решающими факторами при выборе устройства будут только два фундаментальных вопроса, поскольку большинство стандартных свойств автоматически включаются в любую PHY ИС. Первый вопрос — это определение интерфейса для подключения к устройствам канального уровня (MAC), а второй вопрос — это определение поддерживаемых опций среды для подключения на стороне кабеля.

Как указывалось ранее, трансивер PHY имеет «Зависимый от среды интерфейс (MDI)» для реальных коммуникаций и «Независимый от среды интерфейс (MII)» для MAC-коммуникаций. Соглашение об именах MII можно рассматривать как общее название бренда, которое также используется для продуктов (то есть, относящееся ко всем черным печеньям с ванильным кремом как Oreo). Доступны пять альтернатив: MII, RMII, GMII, RGMII и SGMII (вкратце, давайте назовем их все как «xMII»). Каждый из них будет подробно описан в следующем разделе.

PHY должен иметь подходящий интерфейс для выбранных MAC. Точно так же необходимо учитывать требования системного уровня к среде передачи, таких как медный кабель и оптоволокно. Если требуется использовать медный кабель UTP, PHY должен иметь подходящий интерфейс MDI для гальванического элемента и разъем RJ-45.

Чтобы продемонстрировать этот момент, вы должны проверить страницу продукта для выбранного PHY в нашем примере, которым является KSZ9131. Доступны два варианта: KSZ9131MNX и KSZ9131RNX. В то время как первый вариант поддерживает GMII / MII, последний поддерживает только RGMII. Если выбранный MAC имеет только интерфейс RGMII, то KSZ9131MNX будет неправильным выбором. Нет необходимости упоминать сторону MDI, поскольку с ней все относительно ясно, когда дело доходит до выбора правильного PHY, с выбором между интерфейсами оптического и медного кабеля.

Чтение и понимание любой гигабитной таблицы данных PHY может показаться на первый взгляд непростой задачей, поскольку в разделе функций будет перечислено множество стандартных свойств. Если вам не нужно создавать специальную реализацию интерфейса Gigabit Ethernet, большинство этих функций — это просто опции, которые могут немного облегчить жизнь. Мы постараемся кратко описать некоторые из них, и если вы считаете, что для вашего конкретного приложения требуется дополнительная информация, просто введите в Google соответствующее ключевое слово:

  • Автосогласование: эту функцию лучше всего определить как взаимное согласование между сетевыми устройствами, одновременно использующими проводное соединение, о том, какую скорость, дуплекс и элементы управления они все должны использовать для управления использованием канала. Эта функция очень полезна для обратной и прямой совместимости и является обязательным требованием для любого гигабитного Ethernet.
  • Auto MDIX (кроссовер): для работы 10 / 100BASE пары TX должны быть направлены на пары RX, и наоборот. Примитивным решением было изменить порядок пар в разъеме кабеля. Затем это привело к изменению порядка подключения устройств (MDI для прямого порядка, используемого с ПК, и MDIX, для обратного порядка, используемого с коммутатором/концентратором). Наконец, инженеры HP запатентовали протокол Auto-MDIX, который позволяет PHY определять пары передачи/приема и устанавливать надлежащий канал связи. Основная причина использования этой функции — обратная совместимость и устранение необходимости использовать перекрестные кабели UTP, поскольку пары гигабитного Ethernet являются двунаправленными и используют разные алгоритмы на Физическом уровне, такие как эхоподавление.
  • Энергоэффективный Ethernet (EEE): как видно из названия, если PHY имеет функцию EEE, то, если данные не нужно отправлять в течение определенного времени, передатчик автоматически переводится в режим ожидания с низким энергопотреблением, позволяя все подключенные устройства знают, что он находится в этом состоянии, отправляя пакеты LPI. Поскольку приемник всегда активен, нет риска прерывания связи, и, как правило, это может привести к экономии энергии более чем на 50%.
  • Протокол точного времени IEEE 1588 (PTP): эта функция обычно требуется приложениям реального времени, от автоматизации производства до телекоммуникаций. Интегрированные функции 1588 могут генерировать строго синхронизированные тактовые сигналы с низким уровнем джиттера, маркировать пакеты и запускать события на GPIO.
  • Синхронизированный Ethernet (SyncE): для высокоскоростной связи с высокой пропускной способностью, такой как передача голоса и видео в реальном времени, буферизация данных на каждом узле должна быть минимизирована, и в результате все узлы должны быть тесно синхронизированы общими тактирующими сигналами. SyncE создан для передачи информации о часах между узлами, использующими устройства PHY. Каждый PHY восстанавливает тактовый сигнал и использует внутреннюю или внешнюю ФАПЧ для удаления любого джиттера перед использованием сигнала для синхронизации операций.
Рисунок 9. Модель уровня оконечного оборудования обработки данных
Рисунок 9. Модель уровня оконечного оборудования обработки данных

Ethernet PHY включает блоки кодирования и модуляции в соответствии со стандартом IEEE для преодоления любых физических ограничений, которые позволяют кабелю Cat5 UTP быть эффективным и сертифицированным для частот до 125 МГц. Если PHY отправляет каждый бит за один тактовый цикл (например, 10BASE), тогда потребуется кабель, поддерживающий частоту 1 ГГц. Вместо того, чтобы отправлять каждый бит за один такт, 100 / 1000BASE передает один «бод» за цикл с примененным кодированием. 100BASE кодирует каждую 8-битную группу в 10-битный пакет (схема 4B/5B или 8B/10B) для повышения надежности, что означает, что он должен отправлять со скоростью 125 МБод, что требует тактовой частоты 125 МГц.

Gigabit Ethernet использует модуляцию PAM-5, которая использует пять уровней напряжения и кодирует два бита за такт, используя четыре разных уровня напряжения в каждой паре; пятый уровень напряжения используется для исправления ошибок. Основное различие между 100BASE и 1000BASE заключается в том, что гигабитный Ethernet использует все четыре пары одновременно и в двух направлениях. Используя простую математику, мы видим, что 1000 Мбит/с / 4 = 250 Мбит/с на пару, а кодирование двух битов в каждом цикле приводит к тактовой частоте 125 МГц. Таким образом, используя ту же скорость передачи данных и тактовую частоту, что и в Fast Ethernet, Gigabit Ethernet более эффективно использует все доступные ресурсы и увеличивает скорость соединения, при этом сохраняя сертифицированные пределы относительно дешевого кабеля Cat5, вместо того, чтобы использовать дорогие кабели высшей категории.

Используемая модуляция/кодирование очень распространена в мире связи, и у большинства трансиверов не должно быть проблем с успешной модуляцией и демодуляцией сигналов. Поскольку Gigabit Ethernet PHY является обратно совместимым приемопередатчиком, мы можем понять, почему ему нужны источники тактовой частоты 10 МГц (10BASE) и 125 МГц (100 / 1000BASE) для процессов модуляции/демодуляции. Кроме того, дополнительные эталонные частоты, такие как 2,5 МГц, 25 МГц или 125 МГц, могут потребоваться для связи PHY-MAC «xMII» в зависимости от выбранного типа интерфейса. Как правило, PHY также будет иметь выход тактовой частоты 25 МГц или 125 МГц для синхронизации с другими PHY или в качестве входной опоры для устройства MAC.

Все Ethernet PHY, доступные на рынке, имеют внутренний генератор тактовых импульсов с ФАПЧ, поэтому нужен только опорный кристалл или генератор, обычно на 25 МГц. Всегда полезно дважды проверить даташит, чтобы увидеть, есть ли в нем упоминание встроенного драйвера чипа, который позволяет использовать чип. Обычно рекомендуется, чтобы требования к точности превышали 50 частей на миллион, а использование генератора может облегчить компоновку. Опять же, это компромисс для конструкторов с точки зрения цены, стабильности и усилий по отладке. Вы должны быть осторожны, необходимо проверить емкость нагрузки кристалла, если вы выбрали этот вариант.

Термины «strap» или «bootstrap», используемые для устройств Ethernet, определяют жестко запрограммированные настройки для таких параметров, как адрес устройства, режим, выбор xMII, включение тактового сигнала и т.д. до того, как устройство завершит включение питания. Настоятельно рекомендуется внимательно ознакомиться с описанием вариантов «strap» , поскольку они зависят от производителя и могут изменяться для каждого устройства. Ключевым моментом здесь является настройка необходимого времени возврата в исходное положение, чтобы контакты перемычки установились на желаемом уровне напряжения, который легко регулируется с помощью схемы задержки RC.

Рисунок 10. Пример правильной обвязки схемы сброса.
Рисунок 10. Пример правильной обвязки схемы сброса.

Другой момент, связанный с выбором PHY, — это проверка, есть ли у него внутренние согласующие резисторы или нет. Их присутствие критично для целостности сигнала как для MDI, так и для MII. MDI использует сбалансированные дифференциальные пары, поэтому, если PHY не имеет оконечных резисторов на кристалле, на плату необходимо добавить параллельное разделенное оконечное устройство (предпочтительнее для фильтрации синфазного шума). Точно так же интерфейс xMII должен иметь последовательные оконечные резисторы, встроенные в чип или плату.

Рисунок 11. Разделенная оконечная нагрузка (для Ethernet конденсаторы отсутствуют)
Рисунок 11. Разделенная оконечная нагрузка (для Ethernet конденсаторы отсутствуют)

Как вкратце упоминалось, при описании использования магнитного центрального отвода, существует два типа линейных драйверов для гигабитного Ethernet: по току и по напряжению. Разработчик должен проверить линейный драйвер PHY на наличие магнитного центрального ответвления и соединения центрального ответвления с разделенной оконечной нагрузкой. Поскольку драйверы режима напряжения имеют различные преимущества по сравнению с режимом тока, в настоящее время драйверы линии этого типа чаще применяются. Тем не менее, разработчик должен быть осведомлен о требованиях к любому линейному драйверу для различных аспектов проектирования.

Рисунок 12. Линейный драйвер режима тока и напряжения.
Рисунок 12. Линейный драйвер режима тока и напряжения.

Совет. Для дальнейшего чтения ознакомьтесь с «Указаниями по применению ENT-AN 0106» компании Microsemi.

Большинству устройств Ethernet (PHY, MAC и Switch) требуется шина питания 1,2 В для аналоговых и цифровых ядер, а также для питания системы ФАПЧ. Другие источники аналогового, цифрового и ввода-вывода обычно выбираются из 3,3 В, 2,5 В и 1,8 В, и необходимо тщательно проверить техническое описание для требуемой схемы источника питания. Чтобы обеспечить работу с однополярным питанием, устройство может иметь встроенный контроллер LDO (например, в KSZ9131), который управляет полевым транзистором для регулирования напряжения питания 3,3 В или 2,5 В до необходимого 1,2 В. Если на плате уже есть отдельный блок питания на 1,2 В, то эта опция может не понадобиться. Поскольку выбор полевого транзистора строго связан с контроллером, разработчики должны следовать рекомендациям в техническом описании спецификаций полевых транзисторов.

Хотя это будет подробно описано в следующем разделе, стоит упомянуть, что PHY и MAC должны иметь соединение интерфейса управления старше соединений «xMII» для установления правильной связи.

После выбора правильного PHY для выполнения требований и соблюдения приведенных выше рекомендаций проектирование схемы является достаточно простым независимо от выбранного устройства и включает следующие шаги:

  • Обеспечьте правильную подачу питания на шины с помощью емкостных и локальных развязывающих конденсаторов.
  • Подключение к магнетикам и разъему со светодиодами
  • Подключения к MAC с xMII
  • Подключения к MAC для интерфейса управления (MIIM)
  • Обеспечьте правильный вход тактирующих импульсов (clock)
  • Проверьте и расположите «strap»
  • Проверьте и расположите устройства терминирования и смещения

Пример схемы с использованием KSZ9131 PHY представлен на Рисунке 13 ниже. Некоторые пояснительные примечания и имена контактов для конкретных устройств приведены внутри схемы. Вы можете найти файлы схемы для этого рисунка на GitHub, так как их намного проще просматривать в Altium Designer.

Рисунок 13. Физическая схема KSZ9131RNX.
Рисунок 13. Физическая схема KSZ9131RNX.

Связь PHY и MAC

Оцифрованные и демодулированные/декодированные данные передаются в устройство канального уровня MAC через независимый от носителя интерфейс «xMII». Большинство вариантов MII (за исключением SGMII) являются параллельными интерфейсами и похожи на параллельную шину памяти. Переданные и полученные сигналы должны быть синхронизированы с помощью тактовых сигналов. Важно помнить, что развитие технологий не только увеличивает требования к пропускной способности, но также может привести к одновременному использованию большого количества интерфейсов. Вот почему наличие хотя бы одного вывода GPIO может оказаться полезным для проекта в целом.

В самом начале для интерфейса Ethernet 10/100 Мбит/с с MII на основе тактовой частоты 25 МГц было определено 16 контактов. Затем, с появлением режима Reduced-MII (RMII), тактовая частота была удвоена до 50 МГц, а количество выводов уменьшено до 7. Поскольку пропускная способность MII и RMII не подходит для гигабитного Ethernet, мы не будем вдаваться в подробности в статье для этих типов устройств, за исключением перечисления контактов на Рисунке 14 ниже.

Рисунок 14. Контакты MII и RMII
Рисунок 14. Контакты MII и RMII

Gigabit-MII (GMII) поддерживает максимальную скорость 1 Гбит/с при тактовой частоте 125 МГц, использует 25 контактов и полностью обратно совместим со спецификацией MII. Описание сигналов приведено в таблице 2 ниже.

Таблица 2. Список сигналов GMII

Имя сигнала Описание сигнала Направление сигнала
TXD[7..0] Данные для передачи из MAC в PHY Передатчик
GTXCLK Тактовый сигнал для 1 Гбит/с (125 МГц) из MAC в PHY
TXCLK Тактовый сигнал для 10/100 Мбит/с (2,5/25 МГц) из MAC в PHY
TXEN Передатчик включен из MAC в PHY
TXER Ошибка передатчика (при необходимости намеренно повредить пакет) из MAC в PHY
RXD[7..0] Полученные данные из PHY в MAC Приемник
RXCLK Полученный тактовый сигнал (восстановлен из полученных данных) из PHY в MAC
RXDV Сигнал достоверности данных из PHY в MAC
RXER Ошибка получения из PHY в MAC
COL Обнаружение столкновений только для полудуплексного режима из PHY в MAC
CS (CRS) Контроль несущей только для полудуплексного режима из PHY в MAC

Reduced-GMII (RGMII) — почти самый популярный гигабитный PHY для интерфейса MAC, поскольку он снижает количество сигналов вдвое по сравнению с GMII и аналогичен MII/RMII. Для гигабитной связи данные синхронизируются как по спадающему, так и по нарастающему фронту тактовой частоты 125 МГц, что приводит к уменьшению вдвое количества сигналов данных.

Если требуется обратная совместимость со связью 10/100 Мбит/с, то для синхронизации данных используется только нарастающий фронт. В дополнение к сокращению сигнала данных модель RGMII мультиплексирует по времени сигнал TXEN с сигналом TXER в TXCTL, а RXDV с сигналом RXER в RXCTL, исключая при этом сигналы COL и CRS. Всего для RGMII используется 12 сигнальных контактов, описания сигналов приведены в таблице 3 ниже.

Таблица 3. Список сигналов RGMII

Имя сигнала Описание сигнала Направление сигнала
TXD[3..0] Данные для передачи из MAC в PHY Передатчик
TXC Clock передачи

2,5 МГц для 10 Мбит/с

25 МГц для 100 Мбит/с

125 МГц для 1 Гбит/с (двойным фронтом)

из MAC в PHY
TXCTL Мультиплексирование TXEN и TXER

По нарастающему фронту тактового сигнала: TXEN

По спадающему фронту: (TXEN xor TXER)

из MAC в PHY
RXD[3..0] Полученные данные из PHY в MAC Приемник
RXC Clock приема

2,5 МГц для 10 Мбит/с

25 МГц для 100 Мбит/с

125 МГц для 1 Гбит/с (двойным фронтом)

из PHY в MAC
RXCTL Мультиплексирование RXDV и RXER

По нарастающему фронту тактовой частоты: RXDV

По спадающему фронту тактовой частоты: (RXDV xor RXER)

из PHY в MAC

 

Сигнал TXC предоставляется стороной MAC, а PHY предоставляет сигнал RXC. Оба они синхронизированы с источником тактовых сигналов, и в них используются как спадающие, так и нарастающие фронты тактовых импульсов, что делает синхронизацию более критичной.

Стандарт RGMII требует добавления тактовой задержки от 1,5 до 2 нс для сигналов TXC и RXC, чтобы гарантировать обработку сигналов достоверных данных во время спада и нарастания фронтов. К счастью, большинство устройств PHY и MAC поддерживают RGMII-ID (RGMII-Internal Delay), и никаких дополнительных действий не требуется, кроме включения этой ID функции и настройки времени задержки. Однако разработчик должен быть на 100% уверен, что и MAC, и PHY поддерживают функцию внутренней задержки. Если это не поддерживается одним или обоими устройствами, тогда задержка должна применяться как часть топологии печатной платы с использованием правильно спроектированных меандров, как показано на рисунке 15 ниже.

Рисунок 15. Внешняя и внутренняя задержка для сигналов RGMII TXC и RXC.
Рисунок 15. Внешняя и внутренняя задержка для сигналов RGMII TXC и RXC.

Глядя на рисунок 15, вы можете обратить внимание на один странный момент: сигналы TX на стороне MAC соединены с сигналами TX на стороне PHY. Это связано с унификацией имен; каждый передатчик и приемник названы относительно стороны MAC, что означает, что сигналы на стороне PHY, помеченные как TX и RX, соответствуют PHY-приемнику и PHY-передатчику соответственно. Всегда перепроверяйте унификацию имен цепей перед началом проектирования макета.

В топологии несимметричной параллельной шины требуется последовательная оконечная нагрузка (терминирование) на стороне драйвера для согласования как выходного импеданса драйвера, так и характеристического импеданса линии, чтобы предотвратить отражения и проблемы с электромагнитными помехами. Сигналы xMII должны быть несимметричными на 50 Ом, а сигналы TX должны быть согласованы по длине с TXC (TXCLK). Точно так же сигналы RX должны быть согласованы по длине с RXC (RXCLK). Разработчики должны проверить данные PHY и MAC на наличие внутренних оконечных резисторов, и, если они не существуют, их необходимо разместить на плате. Значение резистора будет разницей между Z0 = 50 Ом и выходным сопротивлением линейного драйвера. Как правило, работают значения от 20 до 40 Ом, но для достижения наилучших характеристик может потребоваться метод проб и ошибок.

Рисунок 16. Последовательные внутренние и внешние оконечные резисторы.
Рисунок 16. Последовательные внутренние и внешние оконечные резисторы.

Последовательный GMII (SGMII) представляет собой совершенно другую концепцию по сравнению с другими методами в том смысле, что он похож на сериализатор/десериализатор (SerDes), использующий одну пару TX, одну пару RX и одну пару эталонных часов (Clk). Тактовая частота DDR составляет 625 МГц, что является относительно высоким показателем. Параллельные данные GMII кодируются с использованием формата 8B/10B в пары TX и RX. SGMII уменьшает количество выводов и увеличивает скорость, но недостатком является то, что компоновка становится сложнее, чем для методов xMII. Более того, большинство интегрированных гигабитных MAС, доступных на рынке, поддерживают только интерфейсы xMII. Если в проекте требуется интерфейс 1G+Ethernet, то SGMII — единственный вариант для соединения PHY с MAC.

Для большинства высокоскоростных интерфейсов SerDes требуется емкостная связь для предотвращения синфазных рассогласований напряжения приемника и передатчика. Рекомендуется иметь по крайней мере держатели места для конденсаторов номинала 100 нФ рядом со стороной TX пар SGMII, а также резисторы параллельной оконечной нагрузки в соответствии с импедансом дифференциальной пары (обычно 100 Ом или 150 Ом).

Рисунок 17. SerDes связь по переменному току
Рисунок 17. SerDes связь по переменному току

В дополнение к вышеупомянутому количеству контактов интерфейсов xMII необходимо добавить два сигнала для интерфейса управления MII (интерфейс MIIM или MDIO/MDC). Этот интерфейс похож на шину I2C и используется устройствами верхнего уровня (такими как MAC) для получения информации о состоянии PHY и программирования регистров PHY для настройки изменяемых параметров времени выполнения, таких как настройка часов и процедура исправления.

Сигнал MDC — это тактовая частота 25 МГц, поставляемая MAC, а MDIO — это двунаправленный сигнал данных с открытым стоком, поэтому MDIO необходимо подтянуть в соответствии с общим количеством устройств PHY (обычно требуется резистор между 1,5 кОм. Ом и 10 кОм). Помимо определения последовательного интерфейса управления (serial management interface — SMI) с использованием одних и тех же контактов, некоторые производители также по умолчанию используют контакты MDC/MDIO для подключения к I2C или SPI для простоты использования, особенно в коммутаторах Ethernet.

Коммутаторы Ethernet

Стоит отметить, что вам может не понадобиться добавлять на вашу плату несколько устройств Ethernet PHY и MAC, если нет строгих требований к физическому разделению интерфейсов. Многопортовые коммутаторы PHY и/или MAC — популярный способ увеличения количества интерфейсов Ethernet с помощью одного устройства. Некоторые коммутаторы имеют только интерфейсы PHY, а некоторые другие объединяют интерфейсы PHY и MAC (xMII) вместе. Есть много альтернатив; Например, KSZ9897S — это опция, которая объединяет 5-портовый PHY, 1-портовый RGMII/GMII/MII и 1-портовый SGMII (см. рисунок 18).

Очевидно, что если вы не разрабатываете чистый коммутатор Ethernet, который напрямую направляет все интерфейсы PHY к разъему RJ-45, может быть возможность подключить другой PHY к PHY коммутатора. Лучше всего использовать изолирующие трансформаторы для всех интерфейсов PHY, расположенных на плате, аналогично работе разъема RJ-45. Однако этот метод дорог и занимает много места на плате. Существует теоретический вариант подключения PHY к PHY на плате, называемый объединительной платой Ethernet, для которого не требуются трансформаторы. Вместо этого все пары связаны емкостной связью с использованием последовательных конденсаторов 100 нФ. Хотя это не гарантирует работу на больших расстояниях, теоретически он работает очень хорошо на относительно коротких расстояниях. Если вы попробуете это сделать, не забудьте добавить резисторы смещения после конденсаторов связи переменного тока, если и только если один из PHY имеет линейный драйвер режима тока (см. Рисунок 19).

Рисунок 18. Блок-схема KSZ9897S.
Рисунок 18. Блок-схема KSZ9897S.
Рисунок 19. Бестрансформаторный PHY to PHY
Рисунок 19. Бестрансформаторный PHY to PHY

Рекомендации по размещению

После прочтения сотен страниц технических данных у вас есть идеально спроектированная схема, отвечающая всем требованиям и рекомендациям, предложенным производителями, однако все эти усилия могут быть легко испорчены или снижена производительность из-за фундаментальных ошибок при проектировании платы.

При разработке интерфейса Gigabit Ethernet необходимо учитывать дифференциальные и несимметричные сигналы с регулируемым импедансом, а также некоторые ограничения на согласование длины и максимальную длину цепи. В большинстве случаев эти требования автоматически выполняются разумным размещением компонентов, если конструктор не пытается игнорировать этот подход.

Проблема в том, что если не соблюдаются общие правила размещения (например, не используются сплошные опорные плоскости для трасс, контролируемых импедансом), то строгое согласование длин трасс или удержание их ниже максимальных пределов длины будет напрасной тратой усилий. Поэтому мы кратко опишем общие правила высокоскоростной компоновки, прежде чем обсуждать конкретные требования к компоновке Gigabit Ethernet, чтобы обеспечить основу для более конкретных требований.

Источник питания

Цифровые ИС с высокоскоростной коммутацией требуют переходных токов. Эти переходные токи должны подаваться с использованием шунтирующих/развязывающих конденсаторов, поскольку паразитный импеданс дорожки печатной платы между выводом питания и шиной питания будет иметь индуктивную составляющую (в зависимости от ширины дорожки), которая сопротивляется переходным токам. Основное правило — размещать байпасные конденсаторы как можно ближе ко всем выводам питания, по крайней мере, по одному конденсатору 10 нФ и 100 нФ на каждый вывод.

Для многослойных плат есть отдельные плоскости питания и заземления, поэтому переходные отверстия неизбежно будут использоваться на пути, используемом для подачи питания. Поскольку переходные отверстия также имеют индуктивную составляющую, не следует использовать переходные отверстия между байпасным конденсатором и связанным с ним выводом питания. Это правило показано на рисунке 20 ниже.

Рисунок 20. Слева: ПЛОХАЯ схема питания. Справа: ХОРОШАЯ схема питания.
Рисунок 20. Слева: ПЛОХАЯ схема питания. Справа: ХОРОШАЯ схема питания.

Опорный слой

Основное правило для всей электроники — ток, протекающий в цепи, всегда возвращается к своему источнику. Таким образом, всегда должен быть обратный путь для сигналов, и этот обратный путь будет формировать рамочную антенну с путем исходящего сигнала. Если площадь контура остается небольшой, то проблем EMI/EMC  (ЭМП/ЭМС) возникать не будет, но если по какой-либо причине площадь контура станет больше, то разработчик может столкнуться с серьезными проблемами EMI/EMC.

Эти проблемы EMI/EMC могут серьезно ухудшить производительность вашего устройства неожиданным образом и, по крайней мере, могут привести к тому, что вы не пройдете тестирование EMC при сертификации, необходимой для законного маркетинга/продажи вашего продукта.

Основываясь как на теории, так и на экспериментальных данных для высокоскоростных сигналов, обратный путь тока будет находиться под проводником в слое, находящемся под ним. Другими словами, его на опорной плоскости. Сохранение сплошной опорной плоскости под любым участком высокоскоростной цепи минимизирует площадь контура и предотвратит нарушение непрерывности импеданса.

Если по какой-либо причине под высокоскоростной трассой образуются разрывы в опорной плоскости, следует использовать сшивающие конденсаторы для создания обратного пути. Использование сшивающих конденсаторов также рекомендуется, если плоскость питания также является опорной плоскостью для высокоскоростного сигнала, который создает обратный путь к источнику тока. Эти правила проиллюстрированы на Рисунке 21 ниже, где плохие практики показаны слева, а хорошие — справа.

Рисунок 21. Расположение опорного слоя.
Рисунок 21. Расположение опорного слоя.

Стек печатной платы

Для улучшения характеристик EMI/EMC и упрощения трассировки с  контролируемым импедансом, рекомендуется иметь как минимум четыре слоя (например, Верхний — Земля — Питание/Земля — Нижний). Это не означает, что невозможно использовать двухслойную печатную плату для интерфейса Gigabit Ethernet.

Если для критических сигналов предусмотрена сплошная опорная плоскость, для сигналов MDI разведены защитные дорожки, и, наконец, если нет требований к соответствию EMI/EMC, то, скорее всего, устройство будет работать на лабораторном стенде. Однако двухслойные платы на самом деле следует использовать только для экспериментов и создания прототипов, поскольку четырехслойные платы в наши дни у большинства производителей лишь немного дороже двухслойных — преимущества четырехслойной платы окупаются незначительными дополнительными расходами.

Свойства и геометрия трассировки

Каждая дорожка на печатной плате будет иметь характеристический импеданс, рассчитанный по отношению к опорной плоскости. Altium Designer имеет встроенные инструменты расчета импеданса; однако для высокоскоростных сигналов существует множество других инструментов, помогающих моделировать геометрию проводников и выполнять вычисления. Существует множество математических формул, а также доступных инструментов расчета, таких как «Saturn PCB Tool (бесплатно)» и лицензированный инструмент, предлагаемый Polar Instruments, которые могут выполнять эти вычисления.

Требуемая ширина дорожки и диэлектрический интервал могут быть легко рассчитаны для требуемого импеданса в соответствии с реальным стеком печатной платы. Вообще говоря, отводы на 45° предпочтительнее отводов на 90°. В то же время для дорожек, тромбонов и дифференциальных пар будет лучше, если они будут разделены как можно сильнее, чтобы предотвратить любые перекрестные помехи и повысить их устойчивость к сбоям.

Также следует избегать использования длинных отводов. Наконец, чтобы предотвратить перекрестные помехи между соседними слоями, следует избегать любой параллельной трассировки сигналов в соседних слоях, если между ними нет сплошного полигона. Эти правила проиллюстрированы на Рисунке 22 ниже, где плохие практики показаны слева, а хорошие — справа.

Рисунок 22. Выравнивание и выполнение отводов
Рисунок 22. Выравнивание и выполнение отводов

Линии передачи

Мы знаем, что микрополосковые патч-антенны и щелевые антенны предназначены для преднамеренного создания электромагнитных полей с целью выполнения передачи и приема радиосигнала. Плохо спроектированная печатная плата также может иметь некоторое количество “непреднамеренных” антенн, которые излучают на разных частотах. Если трасса является линией передачи, то отражения могут быть действительно большой проблемой.

При прокладке трасс разработчик должен приблизительно оценить, может ли длина трассы действовать как антенна и превращать проводимый сигнал в излучаемый, и нужен ли согласующий резистор для предотвращения любых отражений. Следующие примеры, основанные на некоторых практических правилах, объяснят эти проблемы.

Во-первых, касательно проблемы с антенной. Наивысшие уровни излучения достигаются, если длина трассы антенны составляет λ/4, λ/2 или λ. Однако, если длина меньше, чем примерно λ/20 несущей частоты, то эффекта антенны не ожидается. Как правило, мы используем значение λ/40 для максимальной длины, чтобы быть в безопасности.

Вторая проблема возникает из-за времени нарастания сигнала, поскольку оно напрямую связано с полосой пропускания. Чем круче фронты, тем выше пропускная способность. Для микрополосковой линии на плате FR4 сигнал распространяется со скоростью 6,146 пс/мм. Если предположить, что время нарастания сигнала составляет 340 пс, то линию можно не терминировать, если ее длина меньше (1/10) * (340/6,146) = 5,53 мм. Всегда лучше иметь терминирующий резистор, но более короткий проводник означает, что не должно быть проблем с отражениями и стоячими волнами.

Поскольку принципы, лежащие в основе проектирования высокоскоростных схем, являются обширной темой, почти невозможно затронуть все ее аспекты в этой краткой статье. Так же, как кратко упоминаются общие практические правила, в следующей таблице представлены некоторые типичные ограничения и требования к компоновке Gigabit Ethernet.

Таблица 4. Требования к компоновке Gigabit Ethernet

Интерфейс Параметр Требование
MDI Импеданс трассы 100 Ом Дифференциальный (95 Ом ± 15%)
MDI Требование терминирования Параллельное терминирование (100 Ом или 2 x 49,9 Ом)
MDI Макс. перекос внутри дифф. пары <1,6 пс ~ 250 мкм
MDI Макс. перекос внутри дифф. пары <330 пс ~ 50 мм
MDI Макс. длина трассы между PHY и гальваническим элементом объектами <~ 100 мм (чем короче, тем лучше)
MDI Мин. расстояние между парами > 450 мкм
MDI Макс. допустимое кол-во ПО 2 переходных отверстия для всех трасс MDI
xMII Импеданс трассы 50 Ом одиночный (50 Ом ± 15%)
xMII Требование терминирования Последовательное терминирование (от 20 Ом до 40 Ом в зависимости от выходного сопротивления драйвера)
xMII Макс. нагрузка на источник 35 oF — Эти интерфейсные выходы не предназначены для управления несколькими нагрузками, разъемами или кабелями. Лучше, если они будут использоваться на борту.
xMII Рекомендуемая макс. длина трассы 50 мм
xMII Макс. длина трассы 150 мм — только если все проводники размещены на внутренних слоях (не рекомендуется)
xMII Допуск на равенство длин трасс 10 мм — сигналы TX с TXC (TXCLK) и сигналы RX с RXC (RXCLK)

В дополнение к этим указанным ограничениям, схема дискретного магнетика также может потребовать особого внимания. Необходимо создать отдельную опорную плоскость для обеспечения повышенной устойчивости к электростатическим разрядам и электромагнитным помехам, и она должна быть строго отделена от всех других плоскостей не менее чем на 2 мм (см. Рисунок 23).

Рисунок 23. Размещение магнетика
Рисунок 23. Размещение магнетика

Заключение

Цель этой статьи — помочь любому разработчику, который хочет добавить интерфейс Gigabit Ethernet в свои проекты, и мы постарались охватить все основные теоретические аспекты. В блоге Altium Designer есть множество статей, в которых более подробно рассматриваются вопросы проектирования высокоскоростных плат, согласования импеданса и другие темы, связанные с успешным выполнением топологии Gigabit Ethernet и других высокоскоростных сигналов. Это руководство должно дать вам хорошее представление о том, как методы трассировки высокоскоростных сигналов применимы конкретно к Gigabit Ethernet.

Хотя я попытался дать хорошее руководство по основам выполнения правильной топологии Gigabit Ethernet, рекомендуется использовать информацию, приведенную в даташитах конкретных микросхем, с которыми вы работаете. В продолжение этой статьи мы рассмотрим настройку правил проектирования специально для гигабитного Ethernet. Наличие грамотных правил проектирования может оградить вас от плохой топологии и разочаровывающего опыта прототипирования/тестирования, а Altium Designer, в свою очередь, поможет сделать ваш проект быть успешным.

Работа с гигабитным Ethernet может стать сложной задачей в первый раз, но не более сложной, чем работа с любым другим высокоскоростным интерфейсом. Требования реализации Gigabit Ethernet, вероятно, наиболее мягкие, когда дело касается высокоскоростных интерфейсов. Используя правильную компоновку и методы выполнения топологии, а также правильно выбрав оконечные устройства и другие компоненты в вашей схеме, ваш проект, вероятно, будет очень успешным. Использование четырех или более слоев на вашей печатной плате значительно упростит трассировку вашего проекта, увеличивая ваши шансы на успех. Также этому  может способствовать правильное выполнение опорных слоев и заземления для Gigabit Ethernet.