Terminación de Bob Smith para circuitos Ethernet: ¿Es correcta?

Desde que mi empresa recibió su primer trabajo relacionado con Ethernet, siempre aplicamos la terminación "Bob Smith" con entusiasmo. No fue hasta que me pidieron escribir un artículo sobre el aterrizaje de Ethernet para Signal Integrity Journal que realmente le di una segunda pensada a la terminación Bob Smith en circuitos Ethernet. A medida que comencé a investigar en internet, empecé a encontrar algunas objeciones a la terminación Bob Smith. Algunas de estas objeciones eran puramente conceptuales, mientras que otras estaban respaldadas con datos.

Me sorprendió ver que esto fuera tan controvertido; muchos diseñadores afirman que el Sr. Smith está completamente equivocado, mientras que otros siempre siguen al Sr. Smith y nunca parecen tener problemas. Entonces, ¿quién tiene razón? ¿Es este uno de esos casos en los que las notas de aplicación promueven malos consejos de diseño y todos los siguen, o es esta una orientación de diseño legítima que se saca de contexto?

Lamentablemente, las notas de aplicación hacen un trabajo horriblemente malo explicando la terminación Bob Smith, si es que intentan explicarla en absoluto. Nunca he visto una nota de aplicación que no abogue por Bob Smith. Pero como la mayoría de los diseñadores senior han indicado en este blog, las notas de aplicación no deben ser confiadas con impunidad. Veamos este problema alrededor de la terminación Bob Smith en circuitos Ethernet con más detalle.

¿Qué es la Terminación de Bob Smith?

Originalmente patentada por Bob Smith, esto se refiere a un conjunto específico de resistencias que proporciona terminación para el punto central de un filtro de modo común que se utiliza en el enrutamiento de Ethernet. Cuando se realiza el enrutamiento entre un PHY de Ethernet y circuitos magnéticos discretos, este esquema de terminación se utiliza para conectar a tierra los puntos centrales de los transformadores utilizados en los circuitos magnéticos. Note que esto se utiliza en el enrutamiento de Ethernet para proporcionar un sumidero para el ruido de modo común que puede transferirse del lado del PHY al lado del conector.

La terminación de Bob Smith utiliza cuatro resistencias de 75 Ohm (2 para Rx, 2 para Tx) y un capacitor para proporcionar un camino con impedancia adaptada de regreso a un punto de tierra en el sistema. Dependiendo de cuál nota de aplicación lea, encontrará que el punto de tierra varía desde la tierra del chasis hasta la tierra analógica, aunque esto es un problema diferente de integridad de señal que se relaciona con la tierra y la planificación de caminos de retorno de señal mixta.

La imagen a continuación muestra un circuito magnético con terminación de Bob Smith en los puntos centrales del transformador para un enlace Ethernet de 100 Mbps. El esquema de terminación del circuito de Bob Smith está delineado en rojo. C3 varía desde 1 nF hasta 4.7 nF, dependiendo del ancho de banda del sistema.

Si observamos el circuito anterior, la necesidad de conectar el punto central a tierra parece tener sentido para la reducción del ruido de modo común. Al desviar algunas emisiones de modo común a tierra, efectivamente has aumentado la relación de rechazo de modo común (CMRR) del sistema en general. Esto significa que la pérdida de retorno hacia tierra debería ser lo más baja posible. Aquí es donde entran en juego las objeciones a la terminación del circuito de Bob Smith.

Objeciones a la Terminación de Bob Smith

52.3 Ohms vs. 75 Ohms

Nunca he conocido a Jim Satterwhite, ni había oído su nombre antes de investigar los logros de Bob Smith. Jim es probablemente el autor más citado al afirmar que el esquema de terminación del circuito de Bob Smith no es óptimo, y que se debería usar un esquema de terminación diferente. Puedes leer su artículo sobre el tema aquí. Su solución es simple: usar resistencias de 52.3 Ohm en lugar de resistencias de 75 Ohm.

Muy simplemente, la objeción de Satterwhite es que el esquema de terminación de Bob Smith solo sería óptimo si la impedancia diferencial de un cable UTP típico fuera de 145 Ohmios. Obviamente, esto es mucho más alto que la impedancia diferencial de 100 Ohmios utilizada en los cables Ethernet. Satterwhite midió la impedancia de un par diferencial único en un cable UTP versus otras configuraciones y recuperó las impedancias característica y diferencial especificadas, aunque no creo que se diera cuenta de lo que estaba midiendo.

Satterwhite luego comparó los valores de pérdida de retorno para su esquema y el esquema original de terminación de circuito de Bob Smith, y encontró que su esquema propuesto proporciona ~10 dB menos de pérdida de retorno para corrientes de modo común que ingresan a la tierra del sistema. Esto es claramente una mejora; se refleja menos ruido de modo común y esperaríamos menos EMI de modo común de esta sección del sistema y de un cable UTP en sí. Lo que sucede a continuación depende de mantener el camino de retorno para este ruido alejado de ferritas sobre la tierra del sistema, lo cual ha generado su propio conjunto de objeciones por parte de la comunidad de SI.

Estudio de Bohnert

Si lees los foros en línea sobre diseño de PCB, verás que otros diseñadores citan un estudio de Royce Bohnert. Demostró que el esquema de terminación de Bob Smith (resistencias de 75 Ohm), el esquema modificado de Jim Satterwhite (resistencias de 52.3 Ohm) y la ausencia total de terminación no parecían producir ninguna diferencia en las mediciones de pérdida de retorno. El enlace original a la presentación de Bohnert se ha vuelto inseguro, pero puedes descargar un PDF de la presentación original desde aquí.

¿Quién tiene razón?

A pesar de las objeciones, no veo una razón para no usar una red de terminación con esta topología, independientemente de si usa 52.3 Ohms o 75 Ohms. Cuando tengas dudas, no está de más realizar una simulación simple con tu inductor y el método de terminación propuesto. Puede que encuentres que las afirmaciones de Satterwhite son correctas y que te conviene más usar 52.3 Ohms en lugar de 75 Ohms en tu red de terminación. Con las herramientas de diseño adecuadas, puedes realizar simulaciones SPICE con modelos de componentes específicos directamente desde tu esquemático y determinar qué red de terminación es la adecuada para ti. ¡No olvides incluir el capacitor en tus simulaciones!

Ya sea que planees usar la terminación de circuito de Bob Smith o algún otro método, las herramientas de diseño esquemático y diseño de PCB en Altium Designer te ofrecen todo lo que necesitas para crear electrónica avanzada. Tendrás un conjunto completo de características que hacen que el enrutamiento de diseños de impedancia controlada de alta velocidad sea una tarea fácil.

Altium Designer en Altium 365 ofrece una cantidad sin precedentes de integración a la industria electrónica que hasta ahora estaba relegada al mundo del desarrollo de software, permitiendo a los diseñadores trabajar desde casa y alcanzar niveles de eficiencia sin precedentes.

Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para una descripción más profunda de las características o uno de los Seminarios Web Bajo Demanda.