以太網(wǎng)信號質(zhì)量問題之收發(fā)器驅(qū)動(dòng)偏置電阻的處理

以太網(wǎng)信號質(zhì)量問題之收發(fā)器驅(qū)動(dòng)偏置電阻的處理一前言

關(guān)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來講，模數(shù)混合電路中最困難的地點(diǎn)在于模擬部分的設(shè)計(jì)，其中最具代表性的確實(shí)是我們經(jīng)常要面對的物理層收發(fā)器(PHY)及其收發(fā)回路和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。即使關(guān)于應(yīng)用比較成熟的以太網(wǎng)物理層設(shè)計(jì)而言，DAC驅(qū)動(dòng)電流的基準(zhǔn)偏置，差分信號線對的走線，乃至于匹配電阻的位置，都有可能阻礙到其物理層的信號質(zhì)量并通過接口技術(shù)指標(biāo)測試暴露出來。

二以太網(wǎng)口信號質(zhì)量測試分析

1100Base-TX接口測試環(huán)境及其設(shè)置

100Base-TX接口測試原理

100Base-TX接口的測試采納業(yè)內(nèi)比較通用的誘導(dǎo)發(fā)包的方法來引導(dǎo)DUT發(fā)出擾碼后的IDLE進(jìn)行測試，更多細(xì)節(jié)請參考美國力科公司《Ethernetsolution-QualiPHY》專項(xiàng)技術(shù)文檔，

測試設(shè)備：測試拓?fù)淙鐖D1：圖1Ethernet接口指標(biāo)測試連接框圖2測試中顯現(xiàn)的咨詢題

此次測試將要緊驗(yàn)證產(chǎn)品上4個(gè)以太網(wǎng)100Base-TX接口的技術(shù)指標(biāo)。關(guān)于其中比較直觀的100Base-TX物理層的眼圖模板，《ANSI+X3_263-1995》標(biāo)準(zhǔn)中有著明確的眼圖模板定義見圖2。圖2100Base-TX眼圖模板關(guān)于100Base-TX接口技術(shù)指標(biāo)的測試方法，《IEEEStd802.3-2000》標(biāo)準(zhǔn)中也有詳細(xì)的講明，工程師按照誘導(dǎo)發(fā)包的測試方法進(jìn)行了網(wǎng)口眼圖的測試，測試過程中發(fā)覺測試網(wǎng)口顯現(xiàn)了信號波形碰觸模板的咨詢題，波形見圖3：圖3以太網(wǎng)口測試眼圖_FAIL3咨詢題分析解決

從眼圖初步分析來看，發(fā)送信號的幅度應(yīng)該是滿足要求的。然而能夠明顯的發(fā)覺信號邊沿依舊比較緩，而且從單個(gè)波形來看邊沿有不單調(diào)的咨詢題。方案的原廠是一家通訊業(yè)內(nèi)用心于IP寬帶解決方案的國際型大公司，其以太網(wǎng)模塊部分應(yīng)該通過詳細(xì)驗(yàn)證過。最大的可能是二次開發(fā)過程中板級系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的一些關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的配合咨詢題。工程師在進(jìn)行了信號幅度以及上升下降時(shí)刻等細(xì)節(jié)指標(biāo)的測試之后證明了之前的判定，信號的幅度是滿足要求的，但信號的上升下降時(shí)刻與其他的方案相比確實(shí)大了（此方案的信號上升下降時(shí)刻在4.3nS~4.6nS區(qū)間，盡管滿足標(biāo)準(zhǔn)中要求的3~5nS。但按照系統(tǒng)容差設(shè)計(jì)原則，芯片設(shè)計(jì)人員通常會(huì)將SlewRate調(diào)整在4nS左右，確保上下區(qū)間調(diào)整地最大容限。）。如何改進(jìn)需要信號的發(fā)送接收回路進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的分析了。通過對網(wǎng)口技術(shù)指標(biāo)的量測分析，目前最要緊的咨詢題在于信號的邊沿比較緩，同時(shí)存在不單調(diào)的咨詢題，最可能的緣故是傳輸回路容性負(fù)載過大以及驅(qū)動(dòng)不足。能夠從這兩個(gè)方面入手解決。1）信號差分線對及阻抗匹配，網(wǎng)口的差分走線的阻抗操縱和耦合處理我司在Layout這一塊的應(yīng)該差不多專門成熟了，而且此款方案采納芯片內(nèi)部匹配網(wǎng)絡(luò)，沒有外部匹配元件。因此暫不進(jìn)行這一塊的分析。

2）傳輸變壓器，工程師將一款測試通過的產(chǎn)品的Transformer與當(dāng)前單板的Transformer進(jìn)行互換后測試結(jié)果一致，眼圖測試依舊不通過。（請注意那個(gè)地點(diǎn)并沒有對變壓器進(jìn)行變比以及差損，回?fù)p等技術(shù)指標(biāo)的測試）

3）收發(fā)器驅(qū)動(dòng)偏置電阻，也確實(shí)是我們經(jīng)常會(huì)看到的RDAC,也有叫RSET或其他的。這是原廠為開發(fā)人員提供的設(shè)定收發(fā)器驅(qū)動(dòng)電流大小的硬配置節(jié)點(diǎn)，能夠按照實(shí)際的單板設(shè)計(jì)和元件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的擬合。這是對信號波形阻礙最大的部分，在不對設(shè)計(jì)進(jìn)行大的變動(dòng)的情形下，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的大小能夠用最小的變動(dòng)來實(shí)現(xiàn)我們關(guān)于信號波形的調(diào)整。在查看產(chǎn)品PCB的同時(shí)我們還發(fā)覺了另一個(gè)咨詢題，RDAC電阻并沒有放置在輸入PIN鄰近，而是放到了遠(yuǎn)端的USB部分，之間的走線長達(dá)4000MIL。從事過PHY設(shè)計(jì)的工程師都明白，關(guān)于驅(qū)動(dòng)偏置電阻的處理，應(yīng)該最大限度的接近輸入PIN，并保證地的潔凈，原廠的LayoutGuide也會(huì)進(jìn)行重點(diǎn)講明。這也許不是造成輸出信號邊沿過緩的直截了當(dāng)緣故，但確信會(huì)阻礙到信號波形的穩(wěn)固性和單調(diào)性。是需要慎重處理的。圖4RDAC走線連接圖收發(fā)器驅(qū)動(dòng)偏置機(jī)理分析：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都明白，以太網(wǎng)收發(fā)器的輸出采納的是差分電流驅(qū)動(dòng)，從收發(fā)器驅(qū)動(dòng)偏置原理框圖，見圖5，能夠進(jìn)一步展開分析，收發(fā)器驅(qū)動(dòng)電流能夠通過帶隙電壓源與外部設(shè)定基準(zhǔn)的比較來設(shè)定。收發(fā)器驅(qū)動(dòng)電流（I_driver）是從內(nèi)部帶隙和外部基準(zhǔn)鏡像過來。U1/Q3/RDAC/Bandgap組成了一個(gè)簡單的比較操縱環(huán)路實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)單位電流的設(shè)定，例如帶隙基準(zhǔn)電壓設(shè)定為Vbg=1.24V，RDAC取值為1.24K。這時(shí)通過比較器U1以及MOS管Q3反饋環(huán)路是確保穩(wěn)固1mA（I_bias）的基準(zhǔn)電流。而Q1/Q2/Current_Source組成了比例鏡像電流源。能夠通過設(shè)計(jì)保證I_driver=N*I_bias，N是設(shè)定的比例鏡像因子。我們假定為20，通過公式能夠運(yùn)算I_driver=20*I_bias=20mA，這確實(shí)是我們差分驅(qū)動(dòng)的輸出電流了。介紹到那個(gè)地點(diǎn)，大伙兒都應(yīng)該清晰了，我們能夠通過調(diào)整RDAC的電阻大小實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)單位電流的設(shè)定，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整差分驅(qū)動(dòng)電流的目的。例如我們將RDAC調(diào)整為1K，則基準(zhǔn)單位電流則變?yōu)镮_Bias=1.24mA,同步的I_driver變?yōu)?0*1.24mA=24.8mA,輸出信號電平的幅度也會(huì)增大。實(shí)際的調(diào)測結(jié)果也是如此，能夠解決信號邊沿碰觸模板的咨詢題。圖5收發(fā)器驅(qū)動(dòng)偏置原理框圖通過研發(fā)與測試工程師的討論，在目前不改動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提下，采納微調(diào)RDAC電阻的方法來增大信號輸出電平幅度以解決信號眼圖的咨詢題。通過調(diào)整后，眼圖測試通過，波形見圖6。圖6以太網(wǎng)口測試眼圖_PASS三測試總結(jié)

（1）作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，對子系統(tǒng)功能的了解以及信號回路模型的懂得是我們進(jìn)行系統(tǒng)定性分析的全然，而關(guān)于內(nèi)部電路的深入研究是我們進(jìn)行系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計(jì)量化的基礎(chǔ)。這關(guān)于我們的工程師提出了更高更深入的要求。

（2）關(guān)于PHY收發(fā)器的設(shè)計(jì)，其驅(qū)動(dòng)偏置電阻應(yīng)盡量靠近設(shè)定管腳擺放，幸免顯現(xiàn)基準(zhǔn)不穩(wěn)固和誤差的顯現(xiàn)

以太網(wǎng)電路設(shè)計(jì)關(guān)于我們來講是比較常規(guī)和熟悉的設(shè)計(jì)，但我們確實(shí)懂得和把握了其內(nèi)部原理以及架構(gòu)嗎。想要更深入，將會(huì)遇到更多的