幾MHz的低速信號(hào)也能出問(wèn)題嗎

在設(shè)計(jì)中，通?？偸莾?yōu)先處理光口、PCIE等高速信號(hào)、或者是音頻等模擬信號(hào)。規(guī)劃使用最優(yōu)的層，最優(yōu)的通道，阻抗、延時(shí)、串?dāng)_等細(xì)節(jié)也被優(yōu)化到極致。然而剩下的低速信號(hào)往往不被重視。但是有些低速信號(hào)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(hào)。

MDC＆MDIO是串行管理接口（Serial Management Interface）的信號(hào)。MDIO是用來(lái)讀／寫PHY的寄存器，以控制PHY的行為或獲取PHY的狀態(tài)，MDC則為MDIO提供時(shí)鐘。

我們來(lái)看一個(gè)案例：PCB設(shè)計(jì)中的MDC時(shí)鐘信號(hào)如下圖左，仿真波形如下圖右。

U14是驅(qū)動(dòng)端，U1／U12／U13接收端。U12接收端的信號(hào)從仿真波形來(lái)看，在判別區(qū)域內(nèi)信號(hào)邊沿有回溝和振鈴，有誤觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

原因分析：現(xiàn)有拓?fù)湎?，因?yàn)閁12是很靠近源端的，U14到U13這段長(zhǎng)距離走線成為STUB，因?yàn)榉种Х浅ｉL(zhǎng)，導(dǎo)致反射不能淹沒(méi)在上升沿中，信號(hào)出現(xiàn)回溝。

根據(jù)分析結(jié)果以及PCB的實(shí)際情況，評(píng)估了切實(shí)可行的優(yōu)化方案：即變更布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并刪除源端串聯(lián)端接，在每個(gè)分支處進(jìn)行端接。預(yù)期結(jié)果如下：

大家是不是覺(jué)得已經(jīng)可以結(jié)束了？

客戶根據(jù)我們提供的優(yōu)化方案進(jìn)行了修改，但是客戶覺(jué)得還不夠保險(xiǎn)，在我的優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，自己又在MDC的源端增加了一個(gè)LC濾波器，并在MDIO的每個(gè)分支都增加了LC濾波器。

優(yōu)化后的結(jié)果詳見(jiàn)下記仿真：紅色波形是原方案的仿真信號(hào)波形，綠色波形是在原方案基礎(chǔ)上客戶‘優(yōu)化’后的仿真波形。

MDC：

MDIO：Write

MDIO：Read

從仿真結(jié)果來(lái)看，MDC時(shí)鐘信號(hào)倒是沒(méi)有回溝了。但是MDIO信號(hào)如今已經(jīng)涼透了?？吹竭@個(gè)結(jié)果，我……

幾MHz的信號(hào)能差到這個(gè)程度也是非常不容易的。經(jīng)過(guò)排查，問(wèn)題出在了新加的LC濾波器上，根據(jù)官網(wǎng)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(chǔ)上增加LC濾波器。此濾波器具有很強(qiáng)的感性。導(dǎo)致讀／寫中途有很大的感性突變，導(dǎo)致信號(hào)的反射。且由于每個(gè)分支都有濾波器，導(dǎo)致信號(hào)會(huì)在多個(gè)分支上來(lái)回反射，信號(hào)質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。之前用于改善信號(hào)質(zhì)量的各分支串聯(lián)端接。不但起不到改善信號(hào)質(zhì)量的作用，還使得信號(hào)質(zhì)量更差。

至于為什么MDIO 的Write ／Read差異如此之大？由于數(shù)據(jù)線在讀／寫模式狀態(tài)下的端接電阻的相對(duì)位置是不同的。現(xiàn)在的拓?fù)湔檬遣畹母睿≧ead），好的更好的一個(gè)狀態(tài)（Write），所以讀／寫的信號(hào)波形差異非常大。在刪除LC濾波器后，信號(hào)恢復(fù)到預(yù)期水平。

由此可見(jiàn)即使是幾MHz的低速信號(hào)，拓?fù)涞氖褂貌划?dāng)也可能導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量不良，所以在設(shè)計(jì)類似連接多個(gè)IC的信號(hào)時(shí)，選擇合適的拓?fù)溆葹橹匾?。另外提醒一下，如果拓?fù)涓淖?，原本的為了改善信?hào)質(zhì)量的端接方案就不一定適合新的拓?fù)淞耍枰鶕?jù)新的拓?fù)溥M(jìn)行合理的調(diào)整，沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證不要隨意添加濾波器，否則可能會(huì)適得其反。

審核編輯：符乾江