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百兆網(wǎng)設(shè)計(jì)資料?獲取

前面文章“硬件電路設(shè)計(jì)-百兆網(wǎng)篇”介紹百兆網(wǎng)的常用電磁隔離方式，文中提到除了電磁隔離，還可以用電容隔離，電容隔離相對(duì)電磁隔離就簡單得多了，不用搞個(gè)大黑塊，在板子上礙事。但是電容隔離有它優(yōu)勢(shì)也有它的劣勢(shì)，大家根據(jù)情況酌情選擇就行，這里先放上電容隔離方案的圖，如下。

圖1. 百兆網(wǎng)采用電容隔離的方案電路圖

從上面圖1中可以看到，使用百兆網(wǎng)使用電容隔離非常簡單，就是把以前的網(wǎng)絡(luò)變壓器拿走，然后信號(hào)線上串33nF的電容即可。參考以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，注意電容耐壓必須是2250V以上，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)里這個(gè)隔離必須能抗住1500V~2250V電壓加在上面60秒不會(huì)把PHY芯片搞壞。當(dāng)然，電容值也不能亂選，具體細(xì)節(jié)我下面慢慢解釋。

在解釋電容的取值前，我先講講使用電容隔離方式的性能怎么樣。我們先看下使用變壓器隔離的波形，待會(huì)好對(duì)比電容隔離的波形，如下圖2所示。左側(cè)是百兆時(shí)的測(cè)試波形，右側(cè)是十兆時(shí)的測(cè)試波形，圖中可以看出信號(hào)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)變壓器后的波形波動(dòng)在-1V至1V間波動(dòng)。

圖2. 網(wǎng)絡(luò)變壓器隔離的測(cè)試波形（TD+/TD-），左100Mb/s，右10Mb/s

對(duì)于圖2，有的讀者可能注意到了網(wǎng)絡(luò)變壓器前的差分信號(hào)波形的電壓有些奇怪，先看100Mb/s的，可以看到差分信號(hào)在2.77V-3.80V之間變化，10Mb/s的更高。在1.96V-4.6V間變化，為什么會(huì)這樣？首先我們由前面知道，對(duì)于差分信號(hào)TD+和TD-，電路是經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)變壓器的抽頭接至VDD（3.3V），形成3.3V的DC偏置電壓。然后我們?cè)诋a(chǎn)品（DP83848C）規(guī)格書的第12頁的表5.5 DC Specifications可以看到一個(gè)信息，如下圖3所示?？梢钥吹綄?duì)于發(fā)送端的差分信號(hào)，在100Mb/s時(shí)輸出差分信號(hào)擺動(dòng)最大值時(shí)為1.05V。看到這里，如果熟悉差分信號(hào)的讀者就瞬間知道我要說啥了，對(duì)的，因?yàn)椴罘中盘?hào)端接到了3.3V作為偏置電壓，差分信號(hào)擺動(dòng)最大值是1.05V，即這1.05V是在3.3V上擺動(dòng)的，正極性電壓會(huì)是3.3V+1.05V/2=3.825V，負(fù)極性電壓是3.3V-1.05V/2=2.775，再看一眼圖2，測(cè)試的值跟計(jì)算的一樣（不要糾結(jié)為啥不是3.82V，因?yàn)槭静ㄆ饔卸秳?dòng)），同理可以分析10Mb/s的情況也一樣。

圖3. PHY芯片TD+/TD-在不同速率下的差分電壓擺動(dòng)值不一樣

我們把上面網(wǎng)絡(luò)變壓器隔離方案的測(cè)試波形了解后，下面來看電容隔離的測(cè)試波形，如下圖圖4所示，這個(gè)時(shí)候因?yàn)槭请娙莞綦x了，差分信號(hào)不再直接短路了，所以DC偏置電壓為芯片內(nèi)部的偏置電壓，這個(gè)值在規(guī)格書中沒查到，但是由上面講到的，差分信號(hào)擺動(dòng)最大幅值是1.05V，可以推算芯片內(nèi)部的DC偏置電壓約2.3V 。我們可以看到通過電容隔離輸出的電壓擺動(dòng)也在-1V至1V之間擺動(dòng)，波形看著也跟網(wǎng)絡(luò)變壓器隔離的差不多，說明電容隔離方案是可用的。

圖4. 使用電容隔離輸出波形跟網(wǎng)絡(luò)變壓器隔離的差不多

那有了上面兩個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，是不是就可以用電容隔離取代電磁隔離呢？回答前我先把最前面的電容選值的問題解答先。為什么選擇33nF，其他的不能選嗎？因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)ANSI INCITS 263-1995 TP-PMD中指明了百兆網(wǎng)的信號(hào)回?fù)p不得低于16dB，在2MHz-80MHz頻率范圍相位角不高于3°，差分阻抗控制在100Ω±15Ω范圍。通過這個(gè)信息我們可以知道電容隔離方式的電容和阻抗構(gòu)成了一個(gè)高通濾波器，對(duì)于高通濾波器，我們知道電容的取值對(duì)最小頻率影響最大，所以選用2MHz來計(jì)算，差分阻抗選100Ω，對(duì)于單根信號(hào)線，相當(dāng)于50Ω，計(jì)算可以得到符合需求的電容約為30.42nF，因?yàn)闆]有30.42nF這個(gè)特殊標(biāo)準(zhǔn)電容賣，可以選取一個(gè)接近的標(biāo)準(zhǔn)值33nF。對(duì)于計(jì)算的信息做仿真結(jié)果如下圖5所示，可以看到跟理論分析接近。

圖5.?理論計(jì)算電容為30.42的仿真結(jié)果

所以現(xiàn)在我們知道電容為什么強(qiáng)烈建議選33nF了，那剛才說是不是電容隔離就可以取代電磁隔離了呢？答案是不能，因?yàn)樯厦嬲f到了，在標(biāo)準(zhǔn)ANSI INCITS 263-1995 TP-PMD中指明了百兆網(wǎng)的信號(hào)回?fù)p不得低于16dB。如果使用電容隔離的方式的話，網(wǎng)線拉長點(diǎn)這個(gè)回?fù)p就不達(dá)標(biāo)了，不達(dá)標(biāo)意味著信號(hào)傳到另外一端時(shí)，已經(jīng)變形得不能被正確識(shí)別了，所以數(shù)據(jù)傳輸肯定失敗。但是電磁隔離可以應(yīng)付得來這個(gè)問題，所以這也是我們能看得到的很多帶網(wǎng)絡(luò)的電路板，都是用網(wǎng)絡(luò)變壓器的原因。電容隔離僅適用于網(wǎng)線短的方案，保險(xiǎn)范圍是使用CAT5網(wǎng)線，長度控制在1米內(nèi)。

現(xiàn)在我們知道了百兆網(wǎng)使用電容隔離的方案原理和優(yōu)缺點(diǎn)，大家設(shè)計(jì)時(shí)如果網(wǎng)線不長，那么電容隔離的方案值得考慮，如果網(wǎng)線長就別折騰了，下面放上幾個(gè)典型拓?fù)涔﹨⒖肌?/p>

3種電容隔離的應(yīng)用拓?fù)鋮⒖?/span>

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