Standards für Ethernet-Layout-Routing: MAC, PHY und RJ-45 Stecker

Zachariah Peterson
|  Created: July 1, 2019  |  Updated: January 4, 2021
Ethernet Layout Routing Standards: MAC, PHY, and RJ-45 Connectors

Rack-mounted Ethernet switch units

 

Selbst komplexe Systeme wie dieses sind dank der Standards für Ethernet-Layout-Routing einfach zu entwerfen.

Ethernet über Kupfer gehört wahrscheinlich zum Herzstück der Netzwerkinfrastruktur Ihres Bürogebäudes. Glücklicherweise machen es die Standards für das Routing von Ethernet den Designern leicht, praktisch alles zu entwerfen – von komplexen Netzwerkgeräten bis hin zu Einplatinen-Computern für Anwendungen. Die Gesamtarchitektur für die Erstellung von Ethernet-fähigen Geräten ist täuschend einfach, aber bestimmte Regeln sollten befolgt werden, um die Signalintegrität zu gewährleisten.

Überblick: Ethernet-Layout-Routing und -Architektur

Innerhalb der IEEE 802-Standards enthalten Ethernet-Geräte drei primäre Hauptelemente, die gemeinsam auf eine bestimmte Weise geroutet werden müssen. Der MAC-Teil (Medium Access Control) ist typischerweise in den Prozessor des Geräts (FPGA, ASIC, MCU oder andere Komponente) integriert. Der MAC bietet Kontrolle über die Bestimmung der Zieladressierung, sendet seine eigene Adresse, um Daten zu empfangen, und dupliziert und fügt Daten zu Paketen für die Übertragung an ein anderes Gerät zusammen.

Die nächste Stufe des Ethernet-Layout-Routings ist die physikalische Schicht (PHY). Dabei handelt es sich in der Regel um eine integrierte Schaltung, die die digitalen Daten vom MAC zur Übertragung über Kupfer- oder Glasfaserleitungen in analoge Signale umwandelt. Die Standard-Routing-Protokolle für Ethernet (MII und RMII) sind mit 10Base-T und 100Base-TX kompatibel, obwohl ähnliche Routing-Standards für 1 Gbit/s und höhere Datenraten ausgelegt sind. Der Ausgang des PHY wird mit einem RJ-45-Stecker verbunden. Diese Stecker erfordern ein spezielles Abschlussschema (siehe unten), um die Signalintegrität zu erhalten.

Bei Glasfasernetzwerken wird der Ausgang des PHY an einen separaten Glasfaser-Sender/Empfänger mit eigenen Layout-Regeln angeschlossen. Kommerziell erhältliche Transceiver sind mit Randsteckern oder anderen Steckern erhältlich. Dadurch sind diese Sender/Empfänger-Module austauschbar, idealerweise ohne Demontage einer ganzen Einheit (z.B. Hot-Swap-fähige Schnittstellen).

Pluggable media converter card

Glasfaser-Medienkonverter mit einem RJ-45-Stecker
 

Das Routing zwischen MAC und PHY folgt über die MII- oder RMII-Routing-Standards mit Punkt-zu-Punkt-Topologie. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Routing-Standards besteht in der Anzahl der Signale, die als Schnittstelle zwischen dem MAC und jedem PHY-Chip erforderlich sind. In einem Multiport-Gerät können zwei Signale vom MAC von mehreren PHY-Chips gemeinsam genutzt werden, während weitere 16 Signale (MII-Routing) oder 6-7 Signale (RMII-Routing) pro PHY-Chip erforderlich sind. Es liegt auf der Hand, dass die Anzahl der benötigten Signale schnell unüberschaubar wird. Daher wurde RMII entwickelt, um die Gesamtzahl der Signale zu halbieren.

Das letzte wichtige Element ist ein Taktgeber, der zum Auslösen von Signalübertragungs- und Empfangsfunktionen zwischen dem MAC und dem PHY verwendet wird. Bei MII wird ein 2,5-MHz-Takt für Datenraten von 10 Mbps verwendet und ein 25-MHz-Takt für 100 Mbps. Bei RMII wird ein 50-MHz-Takt für beide Datenraten verwendet. Alle Routen sollten auf einer einzigen Schicht innerhalb des Geräts mit präziser Längenanpassung platziert werden. In diesen Geräten wird TTL verwendet, so dass die Längenanpassung im Vergleich zu anderen Routing-Standards für Computer-Peripheriegeräte recht großzügig ausfallen kann.

Routing und Terminierung für RJ-45-Stecker

Die Routing-Anforderungen zwischen dem PHY-Chip und den RJ-45-Steckern sind deutlich strenger. TX- und RX-Leitungen werden als Differentialpaare geroutet, und diese Leiterbahnen müssen längenangepasst und symmetrisch sein. Denken Sie daran, dass diese Schaltung und die zugehörigen Leiterbahnen analoge Signale führen und daher über eine analoge Massefläche geroutet werden müssen. Stellen Sie sicher, dass Sie eine geeignete Mixed-Signal-Massefläche in Ihrem Gerät entwerfen.

Es gibt auch eine spezielle Abschlussschaltung, die zwischen dem PHY und dem RJ-45-Stecker platziert werden muss, die in den Standards für das Ethernet-Routing allgemein als "Magnetics" bezeichnet wird. Eine Magnetics-Abschlussschaltung umfasst vier Transformatoren für einen einzelnen RF-45-Stecker, zwei auf jedem RX- und TX-Differentialpaar.

Ein Transformator wird als Gleichtaktdrossel angeordnet, während der andere stromaufwärts (zum PHY hin) angeordnet wird. Üblicherweise werden ferritische Stufentransformatoren mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 verwendet, um für die erforderliche Gleichtakt-Rauschunterdrückung in den TX- und RX-Differentialpaaren zu sorgen, die die Abschlussschaltung mit dem PHY und dem RJ45 verbinden. Dadurch kann auch jede erforderliche Gleichstromvorspannung an die Abschlussschaltung weitergeleitet werden (z. B. zur Versorgung der LED-Anzeigeleuchten im Stecker).

In einigen Anwendungshinweisen wird empfohlen, keine Massefläche unter den Differentialpaaren zu platzieren. Die EMI-Störanfälligkeit kann jedoch durch den Anschluss von Gleichtaktkondensatoren zwischen den RX/TX-Leiterbahnen und Masse verringert werden; in diesem Fall sollte sich die analoge Massefläche unter diesen Differentialpaaren befinden. Die Differentialpaare sollten in allen Abschlussschaltungen impedanzangepasst sein, und die übliche Methode besteht darin, ein Thevenin-Netzwerk oder einen Pull-up-Widerstand in der Nähe des PHYs zu integrieren. In diesem Fall muss ein Teil der Stromebene in der Nähe des Pull-up-Widerstands erscheinen.

RJ-45 termination schematic)

Beispiel einer industrietauglichen magnetischen Abschlussschaltung für einen RJ-45-Stecker

Beachten Sie, dass einige RJ-45-Stecker diesen zweiten Transformator oder beide Transformatoren als Teil eines integrierten Magnetschalters enthalten. Prüfen Sie immer die Datenblätter für integrierte Steckverbinder, um zu sehen, welche weiteren Komponenten hinzugefügt werden müssen, um die Abschlussschaltung zu vervollständigen. Wenn diese Transformatoren und die zugehörigen passiven Elemente nicht integriert sind, sind Ethernet-Transformatormodule auch als diskrete Komponenten erhältlich (normalerweise in SMT-Gehäusen). Diese diskreten Module bieten einen besseren ESD-Schutz, da zwischen den einzelnen Teilen des Systems ein größerer Abstand besteht.

Stackup für Ethernet-fähige Platinen

Abschließend können wir den Lagenaufbau für Ethernet-fähige Leiterplatten nicht ignorieren. In der Regel werden 2-Lagen- oder 4-Lagen-Stackups verwendet, obwohl man sicherlich auch mehr Lagen verwenden könnte. Bei niedrigeren Lagenzahlen werden im Allgemeinen Strominseln mit einer Massefläche auf derselben Lage verwendet. Diese Ebenen sollten mit einem geeigneten Kondensator entkoppelt werden.

Kupferguss kann auch auf der Oberflächenschicht erscheinen, um eine zusätzliche Abschirmung gegen EMI zu bieten, was wünschenswert ist, wenn Ihr Gerät ein WiFi-Modul oder andere HF-Schaltungen enthält. Beachten Sie, dass, wenn Sie die Oberflächenschicht mit Kupferguss versehen, diese mit der unteren Masseschicht durch eine periodische Anordnung von Durchkontaktierungen verbunden werden sollte. Platzieren Sie Kupferguss auf der Oberfläche nur direkt über einer Massefläche in der nächsten Schicht.

Beim Routing auf der Oberflächenschicht kann es erforderlich sein, ein Signal über eine Massefläche und eine Strominsel für eine einzelne Verbindung zu routen. Das ist in der Regel eine schlechte Idee, da der Teil der Leiterbahn, der nicht über eine Referenzebene gelegt wird, stark abstrahlen kann und die gesamte Schaltung, die sie bildet, eine große Schleifeninduktivität aufweist. Um einen Rückpfad zu schaffen und die Referenzebenen während des Routings richtig zu schalten, sollten Sie einen kleinen Kondensator (normalerweise ~10 nF) zwischen der Masseebene und der parallel zur Leiterbahn verlaufenden Strominsel platzieren.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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