几MHz的低速信号也能出问题？

周五, 26 四月 2019 - 11:43

作者：陈亮，来源：高速先生

在设计中，通常总是优先处理光口、PCIE等高速信号、或者是音频等模拟信号。规划使用最优的层，最优的通道，阻抗、延时、串扰等细节也被优化到极致。然而剩下的低速信号往往不被重视。但是有些低速信号表示自己也是要面子的，你不重视我，我就给你颜色看。比如咱们今天的主角MDC＆MDIO信号。

MDC＆MDIO是串行管理接口（Serial Management Interface）的信号。MDIO是用来读/写PHY的寄存器，以控制PHY的行为或获取PHY的状态，MDC则为MDIO提供时钟。

我们来看一个案例：PCB设计中的MDC时钟信号如下图左，仿真波形如下图右。
<img alt="PCB设计中的MDC时钟信号" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="37c945ce-1fb9-445f-881f-8863f6f3c0ad" src="/sites/default/files/inline-images/1_24.png" />
U14是驱动端，U1/U12/U13接收端。U12接收端的信号从仿真波形来看，在判别区域内信号边沿有回沟和振铃，有误触发的风险。

原因分析：现有拓扑下，因为U12是很靠近源端的，U14到U13这段长距离走线成为STUB，因为分支非常长，导致反射不能淹没在上升沿中，信号出现回沟。

根据分析结果以及PCB的实际情况，评估了切实可行的优化方案：即变更布线拓扑结构，使用星型拓扑结构，并删除源端串联端接，在每个分支处进行端接。预期结果如下：
<img alt="预期结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="2b306a4c-a474-426f-af6d-4ede15296d75" src="/sites/default/files/inline-images/2_22.png" />
大家是不是觉得已经可以结束了？

客户根据我们提供的优化方案进行了修改，但是客户觉得还不够保险，在我的优化方案的基础上，自己又在MDC的源端增加了一个LC滤波器，并在MDIO的每个分支都增加了LC滤波器。

优化后的结果详见下记仿真：红色波形是原方案的仿真信号波形，绿色波形是在原方案基础上客户‘优化’后的仿真波形。

MDC：
<img alt="MDC" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4582cf80-b213-44a6-8679-57fdf8dfb73e" src="/sites/default/files/inline-images/3_22.png" />
MDIO：Write
<img alt="MDIO：Write" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="8940bac5-59e6-49f0-9169-3fa69e6ebfe2" src="/sites/default/files/inline-images/4_19.png" />
MDIO：Read
<img alt="MDIO：Read" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d48af7c1-b989-4496-b9c3-20abf411e9a7" src="/sites/default/files/inline-images/5_14.png" />
从仿真结果来看，MDC时钟信号倒是没有回沟了。但是MDIO信号如今已经凉透了。看到这个结果，我……

几MHz的信号能差到这个程度也是非常不容易的。经过排查，问题出在了新加的LC滤波器上，根据官网下载的DATAsheet显示，该器件电感量为350nH，电容量是110pF。
<img alt="仿真结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="979cc9ce-7940-48da-aef2-91da89442ab4" src="/sites/default/files/inline-images/6_15.png" />
由于客户在原始方案基础上增加LC滤波器。此滤波器具有很强的感性。导致读/写中途有很大的感性突变，导致信号的反射。且由于每个分支都有滤波器，导致信号会在多个分支上来回反射，信号质量受到严重影响。之前用于改善信号质量的各分支串联端接。不但起不到改善信号质量的作用，还使得信号质量更差。

至于为什么MDIO 的Write /Read差异如此之大？由于数据线在读/写模式状态下的端接电阻的相对位置是不同的。现在的拓扑正好是差的更差（Read），好的更好的一个状态（Write），所以读/写的信号波形差异非常大。在删除LC滤波器后，信号恢复到预期水平。

由此可见即使是几MHz的低速信号，拓扑的使用不当也可能导致信号质量不良，所以在设计类似连接多个IC的信号时，选择合适的拓扑尤为重要。另外提醒一下，如果拓扑改变，原本的为了改善信号质量的端接方案就不一定适合新的拓扑了，需要根据新的拓扑进行合理的调整,没有经过验证不要随意添加滤波器，否则可能会适得其反。

文章转载自：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5MTExODk3Nw==&mid=2650560590&am…;高速先生</a>