在过去的几十年里，以太网已成为全球卓越的网络标准，从家庭到办公室，从生产车间到汽车。目前，千兆以太网是最先进的技术，因此，可联网电子设备的开发人员必须要采用1Gbps以太网接口。现在，电路设计人员可以通过伍尔特电子集团(Würth Elektronik)提供的两个版本的千兆以太网参考设计，获得优化的电路设计和布局，包括所有技术数据。这有助于在目标应用中实现可靠的千兆以太网接口。
RD016参考设计包括两种接口：USB Type-C(USB 3.1)和1Gbps RJ45/以太网接口1。该千兆以太网USB转接板是基于Microchip评估板EVB-LAN7800LC开发的。该电路建在一块四层印刷电路板上，在本设计中通过USB接口供电。本文的第一部分介绍了理解参考设计所需的技术基础知识。第二部分详细介绍了1Gbps以太网接口直到物理(PHY)层。电磁兼容性(EMC)技术方面的内容详见应用笔记ANP1162。
以太网最初通过同轴电缆以10Mbps的速度在全球传播，后来又通过非屏蔽双绞线(UTP)电缆以10BASE-T的速度传播。目前有100BASE-TX(快速以太网，100Mbps)、千兆以太网(1Gbps)、万兆以太网(10Gbps)和十万兆以太网(100Gbps)。在大多数情况下，千兆以太网可以与常规以太网电缆配合使用，特别是5e类、6类和6a类布线标准。这些电缆类型遵循1000BASE-T布线标准，也称为IEEE 802.3ab。
由于网络协议开销、传输路径冲突导致的重传以及偶发的数据误差等因素，正常情况下的最大可用数据速率为900Mbps。平均连接速度因个人电脑(PC)的硬件结构、路由器上的客户端数量以及以太网布线的“质量”而异。
1Gbps以太网接口按照IEEE 802.3ab-1999(CL40)标准运行，需要四个线对通道进行信号传输。因此，符号率为125兆波特(MBd)，每通道带宽为62.5MHz(每个符号2个比特)。
千兆以太网协议具有一些特殊功能。1000BASE-T(千兆以太网)PHY执行一种称为自动协商的链路配置协议。8位数据字节转换为10位代码组。8b/10b代码非常鲁棒，具有转换密度高、游程长度受限、直流补偿和故障鲁棒性等有用特性。帧中的所有单比特、双比特和三比特误差都能以100%的可靠性检测出来。在100Ω负载时，1000BASE-T的信号电压平均值为750mV(差分)，极限值为670mV(下限)和820mV(上限)。
RJ45接口设计用于全双工传输，即同时传输发送和接收数据。之所以能做到这一点，是因为连接器由四对导线组成，其中总有一对导线用于一个方向(差分电压原理)。原则上，UTP的阻抗为100Ω，屏蔽双绞线(STP)的阻抗为150Ω(1000BASE-T：IEEE 802.3，如第39节)。对于品牌电缆，5e类、6类和6a类有屏蔽和非屏蔽两种，而7类和7a类始终是屏蔽的。对于每个RJ45连接，IEEE标准都要求通过变压器进行电气隔离。该变压器可保护设备免受线路高压造成的损坏，并防止设备之间的电位差导致电压偏移。图1显示了该接口的主要电路。
以太网信号从RJ45接口传入，然后通过共模扼流圈到达变压器。图1仅显示了四个通道中的一个。变压器有一个中心抽头，从信号工程的角度看，它代表零电位。不平衡会在中心抽头以电压形式表现出来，并通过75Ω电阻器接地，然后通过电容器进行直流去耦。变压器的变压比为1:1。在次级侧，以太网信号通过四个通道到达PHY。这里的阻抗也是100Ω差分，或50Ω各自接地(GND)。变压器的中心抽头通过电容器在次级侧进行交流接地。
图1：1Gbps以太网接口的电路原理图。图中仅显示了四个通道中的一个。
该千兆以太网USB转接板有两个版本。
V1.0版在以太网接口区域包含分立元器件。也就是说，匹配网络和电感器块(由共模扼流圈和变压器组成)是以单独元器件的形式放置在PCB上的(图2)。
图2：V1.0分立版千兆以太网USB转接板。带有变压器和共模扼流圈的模块放置在RJ45插孔旁边。
在V2.0版中，将上述元器件集成到了RJ45插座的外壳中(图3)。
图3：V2.0分立版千兆以太网USB转接板。带有变压器和共模扼流圈的模块集成在RJ45插座中。
USB 3.1千兆以太网控制器LAN7800作为网桥连接USB接口和以太网接口(图4)。因此，接口布线只需实现信令适配和去耦即可。在USB端，DC/DC转换器用于产生LAN7800所需的3.3V电源电压。LAN7800需要额外的4kb E2PROM来存储固件。
图4：两个版本中使用的千兆以太网USB转接板的方框图。
这里只涉及控制器、电源和USB 3.1接口，因为本文的重点是1Gbps以太网接口。
由于两个版本的千兆以太网接口在功能上没有区别，因此下文将使用带有分立元器件的V1.0版本对千兆以太网接口的电路进行说明。
图5中的LAN变压器X3在电子设备和网络电缆之间提供直流隔离。变压器初级侧和次级侧之间的测试电压为1,500VRMS。
初级侧绕组的中心抽头(即以太网端口)采用上述Bob Smith终端。每对电线都连接一个75Ω电阻，形成“星点”；然后，整个电路都被电气隔离，并通过两个并联的100pF电容器连接到外壳地。在文献中，我们经常可以看到容量高达2nF的电容器，相对于频率范围来说，这是一个相对较高的值。电容器的介电强度应至少为2kV。
Bob Smith终端用于减少共模电流造成的干扰，并降低对RJ45连接器上未使用线对的干扰的敏感性。
Bob Smith终端的参考阻抗约为每个线对145Ω。考虑到市场上有许多不同类型的电缆，各种电缆的基本阻抗存在差异，而且电缆因扭曲而在整个长度上的阻抗并不恒定，因此还采用了共模扼流圈(图5)。
图5：用于PHY和以太网之间电气隔离的WE-LAN AQ变压器。
因此，模块X3中每个通道都连接了一个变压器和一个共模扼流圈。尽管这些扼流圈无法纠正阻抗匹配的偏差，但却能显著改善EMC行为。此外，参考文献中还详细介绍了关于无源元件和TVS二极管的电路以及PCB布局1。
1Reference Design RD016: Gigabit Ethernet Front End.
2Application Note ANP116: Gigabit Ethernet Interface from an EMC perspective.
（原文刊登于EDN姊妹网站EE Times欧洲版，参考链接：Gigabit Ethernet: EMC-Compliant Implementation，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2024年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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