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几MHz的低速信号会出现哪些问题?

2019-04-22 14:34
一博科技
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在设计中,通常总是优先处理光口、PCIE等高速信号、或者是音频等模拟信号。规划使用最优的层,最优的通道,阻抗、延时、串扰等细节也被优化到极致。然而剩下的低速信号往往不被重视。但是有些低速信号表示自己也是要面子的,你不重视我,我就给你颜色看。比如咱们今天的主角MDC&MDIO信号。

MDC&MDIO是串行管理接口(Serial Management Interface)的信号。MDIO是用来读/写PHY的寄存器,以控制PHY的行为或获取PHY的状态,MDC则为MDIO提供时钟。

我们来看一个案例:PCB设计中的MDC时钟信号如下图左,仿真波形如下图右。

几MHz的低速信号也能出问题?

U14是驱动端,U1/U12/U13接收端。U12接收端的信号从仿真波形来看,在判别区域内信号边沿有回沟和振铃,有误触发的风险。

原因分析:现有拓扑下,因为U12是很靠近源端的,U14到U13这段长距离走线成为STUB,因为分支非常长,导致反射不能淹没在上升沿中,信号出现回沟。

根据分析结果以及PCB的实际情况,评估了切实可行的优化方案:即变更布线拓扑结构,使用星型拓扑结构,并删除源端串联端接,在每个分支处进行端接。预期结果如下:

几MHz的低速信号也能出问题?

大家是不是觉得已经可以结束了?

几MHz的低速信号也能出问题?

客户根据我们提供的优化方案进行了修改,但是客户觉得还不够保险,在我的优化方案的基础上,自己又在MDC的源端增加了一个LC滤波器,并在MDIO的每个分支都增加了LC滤波器。

优化后的结果详见下记仿真:红色波形是原方案的仿真信号波形,绿色波形是在原方案基础上客户‘优化’后的仿真波形。

MDC:

几MHz的低速信号也能出问题?

MDIO:Write

几MHz的低速信号也能出问题?

MDIO:Read

几MHz的低速信号也能出问题?

从仿真结果来看,MDC时钟信号倒是没有回沟了。但是MDIO信号如今已经凉透了。看到这个结果,我……

几MHz的低速信号也能出问题?

几MHz的信号能差到这个程度也是非常不容易的。经过排查,问题出在了新加的LC滤波器上,根据官网下载的DATAsheet显示,该器件电感量为350nH,电容量是110pF。

几MHz的低速信号也能出问题?

由于客户在原始方案基础上增加LC滤波器。此滤波器具有很强的感性。导致读/写中途有很大的感性突变,导致信号的反射。且由于每个分支都有滤波器,导致信号会在多个分支上来回反射,信号质量受到严重影响。之前用于改善信号质量的各分支串联端接。不但起不到改善信号质量的作用,还使得信号质量更差。

至于为什么MDIO 的Write /Read差异如此之大?由于数据线在读/写模式状态下的端接电阻的相对位置是不同的。现在的拓扑正好是差的更差(Read),好的更好的一个状态(Write),所以读/写的信号波形差异非常大。在删除LC滤波器后,信号恢复到预期水平。

由此可见即使是几MHz的低速信号,拓扑的使用不当也可能导致信号质量不良,所以在设计类似连接多个IC的信号时,选择合适的拓扑尤为重要。另外提醒一下,如果拓扑改变,原本的为了改善信号质量的端接方案就不一定适合新的拓扑了,需要根据新的拓扑进行合理的调整,没有经过验证不要随意添加滤波器,否则可能会适得其反。

— end —

本期提问

遇到这种连接多个IC的信号,你会怎么处理的呢?欢迎各位小伙伴们加入评论留言区的互动!

文 | 陈亮

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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