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幾MHz的低速信號也能出問題?

來源:一博自媒體 時間:2019-4-22 類別:微信自媒體

作者:肖勇超 一博科技高速先生團隊隊員

在設計中,通??偸莾炏忍幚砉饪?、PCIE等高速信號、或者是音頻等模擬信號。規劃使用最優的層,最優的通道,阻抗、延時、串擾等細節也被優化到極致。然而剩下的低速信號往往不被重視。但是有些低速信號表示自己也是要面子的,你不重視我,我就給你顏色看。比如咱們今天的主角MDC&MDIO信號。

MDC&MDIO是串行管理接口(Serial Management Interface)的信號。 MDIO是用來讀/寫PHY的寄存器,以控制PHY的行為或獲取PHY的狀態,MDC則為MDIO提供時鐘。
我們來看一個案例:PCB設計中的MDC時鐘信號如下圖左,仿真波形如下圖右。

U14是驅動端,U1/U12/U13接收端。U12接收端的信號從仿真波形來看,在判別區域內信號邊沿有回溝和振鈴,有誤觸發的風險。

原因分析:現有拓撲下,因為U12是很靠近源端的,U14到U13這段長距離走線成為STUB,因為分支非常長,導致反射不能淹沒在上升沿中,信號出現回溝。

根據分析結果以及PCB的實際情況,評估了切實可行的優化方案:即變更布線拓撲結構,使用星型拓撲結構,并刪除源端串聯端接,在每個分支處進行端接。預期結果如下:
 
大家是不是覺得已經可以結束了?

客戶根據我們提供的優化方案進行了修改,但是客戶覺得還不夠保險,在我的優化方案的基礎上,自己又在MDC的源端增加了一個LC濾波器,并在MDIO的每個分支都增加了LC濾波器。

優化后的結果詳見下記仿真:紅色波形是原方案的仿真信號波形,綠色波形是在原方案基礎上客戶‘優化’后的仿真波形。 

MDC:
 
MDIO:Write
 
MDIO:Read
 
從仿真結果來看,MDC時鐘信號倒是沒有回溝了。但是MDIO信號如今已經涼透了??吹竭@個結果,我……

幾MHz的信號能差到這個程度也是非常不容易的。經過排查,問題出在了新加的LC濾波器上,根據官網下載的DATAsheet顯示,該器件電感量為350nH,電容量是110pF。
 
由于客戶在原始方案基礎上增加LC濾波器。此濾波器具有很強的感性。導致讀/寫中途有很大的感性突變,導致信號的反射。且由于每個分支都有濾波器,導致信號會在多個分支上來回反射,信號質量受到嚴重影響。之前用于改善信號質量的各分支串聯端接。不但起不到改善信號質量的作用,還使得信號質量更差。

至于為什么MDIO 的Write /Read差異如此之大?由于數據線在讀/寫模式狀態下的端接電阻的相對位置是不同的?,F在的拓撲正好是差的更差(Read),好的更好的一個狀態(Write),所以讀/寫的信號波形差異非常大。在刪除LC濾波器后,信號恢復到預期水平。

由此可見即使是幾MHz的低速信號,拓撲的使用不當也可能導致信號質量不良,所以在設計類似連接多個IC的信號時,選擇合適的拓撲尤為重要。另外提醒一下,如果拓撲改變,原本的為了改善信號質量的端接方案就不一定適合新的拓撲了,需要根據新的拓撲進行合理的調整,沒有經過驗證不要隨意添加濾波器,否則可能會適得其反。


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