10-100M以太网板级电容耦合应用

10/100M以太网板级电容耦合应用浅谈〔摘要〕本文主要讨论了基于BCM以太网套片的板级电容耦合应用，。

通过对于耦合电容的参数选择展开了对电容耦合技术的探讨，对后续AC耦合应用的分析有一定的参考意义。

〔关键词〕：以太网电容耦合PDJ ：Pattern-dependent jitter一前言以太网作为广泛应用的通信网络物理层互连技术的一种，也被系统设计人员应用于板级系统互连。

只是在板级应用中由低成本磁片电容耦合替代了传统的网络变压器耦合方式。

虽然电容耦合与变压器耦合都属于交流耦合应用，但电容耦合方式其特殊的阻抗域/频域的特性使得设计者必须根据传输信道模型进行合理的参数选择。

本文以下将就基于BCM以太网PHY的板级互连应用进行讨论以及分析。

二常用板级互连模式（1）Backplane connection，这种模式是基于比较复杂的分布式控制系统，例如通信局端的机架式产品。

产品通常由主控母板，一定数量的通信子板以及背板组成。

母板与子板间通过背板的以太网互连一定是点对点的，而且收发两方都要进行容性隔离以避免DC压降过大隐患。

图示如下：（2）PCB connection：这种模式是基于互连的以太网PHY都在同一单板上。

三 AC耦合电容的参数选择为了方便进行分析，我们可以将板级以太网交流耦合应用回路归一化等效为ＲＣ一阶高通电路如下：Figure 3： RC耦合电路我们可以发现，在这样的信道模型中，一段时间内，如果驱动器驱动到线路上为同一码型，则在这段时间内，高速互连通道的特性与ＲＣ高通特性的完全一致，图3的C相当于图2中的AC耦合电容，R相当于接收器的100ohm终端匹配电阻。

同一码型持续的时间段中，接收器上接收到的电压呈指数级别降低，时间越长，电压降低越多。

假设驱动器发送连“1”码比特流到线路上，随着时间的延续，接收器接收到的电压会逐渐降低，即图4中的LF Droop（低频衰减，因为RC电路具有高通滤波特性，所以电路的低频分量衰减较大），时间越长，LF Droop越大，一旦码型发生变化后，比如图4中改变为“0”码，接收器上的电压会迅速降低并反相，因为LF Droop的影响，电压降低的起点会比理想位置低，导致从“1”码到“0”码的变化边沿时刻会比理想位置有所提前，这个与理想位置的偏移量就是由AC耦合所带来的PDJ(Pattern-dependent jitter)。

显然，高通滤波RC电路的3dB转折频率点越低，即RC常数越大，低频分量通过得越多，LF Droop越小，PDJ就越小，因为R的值固定，所以C越大，PDJ越小，选择较大的C对抑制PDJ有利。

Figure 4：由AC 耦合产生的LF Droop 和PDJ根据经典的RC 一阶电压的阶跃响应公式设接收端上的初始电压（也就是加在R 上的初始电压）为“1”码和“0”码电平的中间值0.5VPP ，我们可以得到以下公式：其中△Ｖ为电压衰减，假设电压的衰减△Ｖ／Vpp 为5％。

有/5%0.5(1)t eτ-=- or 9.5t τ=我们可以设定Ｔb 为一个比特位宽，Ncid 为最大容许传输的同一数据位，Ｃ为AC 耦合电容，R 为回路阻抗。

则RC 电路的时间常量τ=RC 。

根据上式可以推倒出电容C 容量为9.5/CID b C N T R =我们需要求解的是PDJ 的值，现在已经知道ΔV 的值，显然，如果能找到两者间的关系，PDJ 的值就迎刃而解了。

将图4中的信号边缘偏移图示进行局部放大研究，如图5所示Figure 5: PDJ 等效计算可以看出，由20％～80％的Tr 、0.6VPP 和信号上升沿组成的直角三角形与PDJ 、ΔV 和信号下降沿组成的直角三角形为相似形，于是有：//0.5(1)0.5(1)0.6/0.6CID Tb N RC t p p p p p p r V e V e V PDJ slope V t τ-*------===根据上式就可以计算出PDJ 的值，Tr 值可以从驱动器的数据手册中查到，需要注意是20％～80％的上升时间，如果没有找到Tr 的值，可以用下式进行估算：BW 为所传输信号的带宽，在一阶系统中，BW 的典型值为60％～100％的数据速率。

在实际应用中，如果仅仅是对PDJ 进行预估，建议BW 取中间值，即80％的数据速率。

从以上的分析我们可以知道：随着连续不变NRZI 码的长度N 增加或交流耦合电容C 值减小，系统的码型相关抖动PDJ 会变大。

如对于连续不变NRZI 码的长度为14的125Mbps 的以太网物理层数据信号，Tb 为8nS ，20％～80％的上升时间TR 为3nS ，R 为100ohm ，如取C ＝100nF ，则PDJ ＝27.8pS; 如取C ＝10nF, 则PDJ ＝265pS 。

对于不同的C ，码型相关抖动为：电容值 抖动 抖动与单位周期比 性能1nF 1680pS 21% 差10nF 265pS 3% 一般100nF 0.278pS 0.3％ 很好当然，电容也不是越大越好。

从抑制抖动的观点来看，交流耦合电容C 越大，传输通道的PDJ 越小，系统的性能越好，但是抖动不是唯一需要考虑的问题，而是存在另一个需要考虑的方面，恰恰相反，这个规则反对使用大的电容，下面详细说明这个问题。

一个真正的电容器的等效电路除了电容C 外还包括一个寄生电阻（ESR ，串联等效电阻）和一个寄生电感（ESL ，串联等效电感），实际的电容器是这三个元件的串联，会存在一个串联谐振频率。

在谐振频率点之下，C 起主导作用，电容器表现为电容的特性，随着频率上升，阻抗变小；在谐振频率点上，C 和ESL 的作用完全抵消，电容器表现为电阻的特性，阻抗达到最小值，其值大小为ESR；在谐振频率点之上，ESL起主导作用，电容器表现为电感的特性，随着频率上升，阻抗变大。

也就是说，ESR决定电容器所能达到的最低阻抗，ESL使得电容器在谐振频率点之上表现为电感器的特性，失去电容器的作用，且随着频率增加，阻抗变大，而理想电容器在高频时的阻抗趋于零。

如图6所示：Figure 6：电容器频率特性如果考虑实际的电容器在高频段阻抗会变大的效应，导致信号的高频分量衰减变大，同样会使接收器上接收到的电压幅值跌落，也会引起信号边缘发生相位偏移，引起额外的抖动。

电容值越大，高频阻抗越大，电压跌落越多，引起的抖动越大，从这一点上来说，希望交流耦合电容越小越好。

Figure 7：不同频率电容器频率/阻抗/插损特性图7中给出了Murata的5种不同容值的多层陶瓷电容器的阻抗/插损-频率曲线，可以看出：电容值越小，谐振频率点越高，电容器的高频特性越好。

电容的谐振频率点都低于1GHz，对于物理层码流为125Mbps的以太网互连传输系统而言，在5个电容器中，10nF/100nF的电容器在整个频端的保持最低的阻抗以及插入损耗，性能最好，低频端的阻抗优于1nF和100pF的电容器，高频段的阻抗优于1uF的电容器。

尽管一般的多层陶瓷电容器在高数据速率的系统中工作时，对外表现出高达5～10ohm的阻抗，但是对于实现交流耦合的功能而言，仍然能工作得足够好，高频下阻抗增大导致的电压跌落不大（一般<2％），导致的相移也小（一般小于10º），所以完全没有必要选用特殊的射频电容器，一般的标准多层陶瓷电容器（陶瓷介质可选NPO或X7R）就能满足要求。

因此，我们在选择交流耦合电容器的时候，即不能单方面从高通滤波特性考虑选小容量的电容器，也不能单方面从LF Droop的角度考虑选大容量的电容器，应综合考虑电容的高通滤波特性和LF Droop影响，选择中间值的电容器，基本原则如下：1 电容器带来的码型相关抖动不超过单位周期的5％；2 尽量选用小封装的电容器，小封装的高频特性优于大封装的，推荐选用0402封装；3 电容器的阻抗在整个低频段和高频段都能兼顾，有最低的整体表现阻抗，推荐选用10nF～100nF间的电容。

针对我们目前使用的是100M以太网PHY交流耦合设计，物理层码流为125Mbps。

选用0.1uF(100nF)的瓷片电容就可以满足要求。

四其他原件参数的选择所有的电容采用0.1 μF, 16V, 5% Ceramic chip ，所有的电阻采用1%, 1/10W。

需要关注的是电阻终结的位置要靠近各自PHY芯片侧。

AC耦合电容的位置不是那么重要，但需要保证的是差分线对上电容的位置要一样。

例如“+”走线上的耦合电容在离芯片1英寸的地方，那么“-”走线上的位置也应该在同一点。

27pF的差分负载电容起到了带通滤波的效果，可以帮助PHY内部的均衡单元最理想化的效果。

五 PHY芯片工作模式的设定及约束（1）在这种应用模式下，要求双方的自协商是关闭的。

如果打开的话会影响到双方Link的状态。

详见并行检测。

（2）双方必须强制在100M/Duplex 状态下，确保双方工作状态的一致。

（3）Auto MDIX功能关闭的，确保TD+/-总是对应发射机，而RD+/-总是对应接收机。

以保证端接偏置以及电压对于设定的PHY保持一致。

六信号测试分析Figure 8：信号分析通过BCM原厂进行的96 inches PCB Trace（100Ω差分阻抗）的板级信号验证实验可以看到，在以上的参数配置下，发送端输出标准的1V差分信号在接收端实际测试值为800mV，其衰减为20Log(0.8/1)=-1.94dB,近似为2dB的信号衰减。

可以说能够满足当前板级应用的要求。

当然，针对不同的目标板其信号质量如何，系统设计者可以使用差分探头进行板级以太网信号质量测试进行验证。

电容耦合技术在信号电平转换、去除共模误差以及避免输入电压故障的发生方面有很多的益处，也已经被广泛的用于高速系统互连应用。

希望以上本文就以太网的板级电容耦合应用分析和探讨能给我们的系统设计人员在进行交流耦合传输信道分析时提供一些思路和帮助。

[参考文献]1: Capacitive Coupling 10/100 Ethernet Backplane Applications, Broadcom Corp. 2: Choosing AC-Coupling Capacitors ,MAXIM Corp.。