工業(yè)千兆以太網接口

無線網絡的應用正變得越來越廣泛，尤其在工業(yè)領域。在眾多應用中，有些情況需要更可靠并且更安全的通信。使用智能傳感器，和具備高效調制與編碼技術的儀表可以建立工業(yè)無線傳感器網絡。此類網絡的傳播特性好，帶寬低，不過目前開發(fā)的大部分產品局限于低于 1 Mbit/s 的低數據量傳輸場景。

無線數據傳輸的方式天生不如有線網絡可靠。因此，特別是在工業(yè)環(huán)境中，有時候有線網絡是唯一可行的解決方案。

有線以太網

與無線網絡類似，有線網絡在終端之間以數據幀的方式進行傳輸。

目前，通信速率有 100Base-TX （100 Mbit/s 快速以太網）、千兆以太網（1 Gbit/s）、萬兆以太網（10 Gbit/s）和 100G 以太網（100 Gbit/s）。對于大多數應用，千兆以太網可以在常規(guī)的網線上正常工作，如 CAT5e 和 CAT6 線纜。這些線纜符合 1000BASE-T 標準，即IEEE 802.3ab。

千兆以太網接口符合 802.3ab-1999（CL40）標準，需要四對線或通道。 因此每個通道的編碼傳輸速率是125 兆 (MBd)，帶寬為 62.5 MHz （每個編碼 2 位數據）。1000BASE-T（千兆以太網）的差分信號典型值是 750 mV ，負載 100Ω 時的限值為 820 mV > V_signal > 670 mV。

千兆以太網前端

典型的以太網前端使用 RJ45 端口，可用于全雙工傳輸。能實現這一點是因為連接器中包含兩對信號線，每個方向一對（差分電壓）。IEEE 標準要求RJ45 使用變壓器實現電氣隔離。變壓器可以保護設備免受線路高壓，或者設備之間的電位差引起的損害。千兆以太網接口的電路圖如圖1所示。

圖1：千兆以太網接口基本電路，由包含四個通道

千兆以太網接口分立電路

網絡變壓器（LAN 變壓器）是設備連接網線的接口。在設備和線纜之間的變壓器能夠提供必須的隔離，同時匹配阻抗和實現差分。此外，變壓器還能保護設備免受瞬態(tài)干擾，并抑制設備內部、外部線纜和設備之間的共模信號，同時不能影響信號收發(fā)性能，必須能夠達到 1 Gbit/s 的數據傳輸速率。另外還需要一些器件滿足匹配和電磁兼容 (EMC) 測試。

圖 2 展示了使用分立元件的千兆以太網接口電路圖。LAN 變壓器在電子設備和網線之間提供直流隔離。初級側繞組的中心抽頭進行了“Bob Smith”匹配：每對線連接一個 75 Ω 電阻到“星形點”，然后通過兩個并聯的 100pF/2kV 電容接到機殼地。X3 模塊中集成了共模電感，可抑制較長的網線通過容性或感性耦合的噪音，這些共模干擾可能會影響通信。

圖2：千兆以太網接口分立電路，X3 模塊包含變壓器和共模電感

圖 3 展示的是以太網接口區(qū)域四層PCB板布線。金屬殼接地與四層中所有PHY側GND 隔離，因此金屬殼的接地平面不會與其它層的GND平面重疊，盡可能減小電容耦合。地平面以 4 毫米網格的過孔連接。網口差分信號參考地平面，阻抗 100 Ω ,差分線的寬度 0.154mm，間距 0.125mm。RJ45連接器位于 PCB 的邊緣，確保與金屬外殼的低阻抗連接。 

頂層              VCC 層 

地層              底層 

 圖3：以太網接口區(qū)域PCB四層布線

X3變壓器模塊就近放置，以盡量減少耦合或長走線干擾。與初級側一樣，變壓器的次級側信號也需要參考地平面并保持 100 Ω 差分阻抗。為避免寄生電感引起的壓降，TVS 陣列必須直接連接信號和 GND。

EMC 認證

在電磁兼容 (EMC) 方面，該板符合針對多媒體設備的抗擾度 (EN61000-6-2) 和 無線電干擾發(fā)射EN55032 B類標準。千兆以太網接口電路和布線需要考慮射頻設計、取決于產品整體系統(tǒng)的接地方式以及正確的器件選擇。更多信息可參見伍爾特電子的應用指導，網址為 [https://www.we-online.com/applicationguide/en]。

關于作者

工程學博士 Heinz Zenkner

伍爾特電子技術應用獨立顧問，也是技術學院 EMC 領域的講師。同時，Heinz 是一位廣受認可的 EMC 專家。他撰寫了許多技術論文和書籍，并在多所大學、IHK 和許多研討會上擔任講師。