以太网差分信号线在两层PCB板上的布线方法--技术天地

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以太网差分信号线在两层PCB板上的布线方法作者:朱贤武    发布时间:2020-3-4 18:21:48    被阅览数:次

  以太网通讯,在工业嵌入式系统中使用非常普遍。以太网的通讯的稳定性与可靠性,直接决定了设备的可靠性。以太网信号属于高速的差分信号,它的特征阻抗值为100欧,因此在PCB设计时,就需要按照差分信号线布线要求,设计以太网差分信号线的布线参数,使PCB差分信号线的阻抗值尽可能地接近100欧。


  差分信号,是在2条信号线上进行传输,且这2条信号线上的信号的振幅相同,相位相反。这2条传输差分信号的信号线,就是一对差分信号线。差份信号线需具有特定的交流阻抗特性,以保证信号传输的稳定与可靠性。差分信号线的PCB布线有特殊的要求:等线宽、等线距、等长度、同层面,并且要设计为特定的交流阻抗值,即所谓的“阻抗匹配”。


  要实现差分信号线的阻抗匹配,建议使用嘉立创微信公众号上的小工具“阻抗神器”,它是简化参数要求的SI9000工具:


以太网差分信号线在两层PCB板上的布线方法.png


  该工具的使用方法比较简单:

  1、输入需要的阻抗值

  2、选择PCB板层数

  3、选把PCB板成品板厚度

  4、选择“差分阻抗”

  5、选择差分线之前的线距。需要注意,这里的线距,是指2条差分线之间的空间距离,不是它们的中心线距。最后点击“计算”按钮,即可得到相应的线宽参数。


  例如以太网的差分信号线,要求阻抗匹配值为100欧,PCB板厚为1.6mm的2层板,根据SI9000计算结果,可以得到6.5mil间距、15mil线宽的布线参数,就可以得到比较接近要求的100欧阻抗的差分信号线。该参数也是绝大多数PCB板厂可以生产出来的参数,因此可以参考该参数设计以太网差信线的布线。


  在工控应用系统中,其它常用的差分信号还有USB、LVDS、RS485总线、CAN总线等。它们的差分信号线也具有特定的阻抗要求,根据SI9000计算结果,其PCB布线参数如下表所示,以供参考:


 差分信号阻抗要求线间距线宽 
以太网100Ω 10%6.5mil15mil
USB90Ω 10%5mil
10mil
LVDS100Ω 10%6.5mil15mil
RS485120Ω 10%8mil9.48mil
CAN120Ω 10%8mil9.48mil


  由于在2层板上要实现阻抗匹配难度相对高些,因此2层板的阻抗匹配主要目的是为了使差分信号线阻抗值尽可能接近所要求的特征阻抗值,以使数据传输尽可能可靠稳定。如以太网差分信号线采用8mil间距、7mil线宽,它的阻抗值约为130欧左右,在英创公司的测试中,就会在特定环境下出现通讯异常的情况,严重时网络协商也会失败。


  由于RS485与CAN总线通讯速度非常低,因此仅按照差分信号线的要求布线即可,并在接口端口并接120欧母电阻,就可以实现匹配。

英创公司所提供的嵌入式工控主板,对所有高速差分信号线,都进行了阻抗匹配设计。可以放心使用。

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