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转自 专治pcb疑难杂症
  网口设计时布局布线要怎么处理？为什么变压器要掏空隔离？为什么网口中心抽头的电容要尽可能短？网口的组成是什么？

  PCB设计中，掌握信号流和电源树是非常重要的，你要知道信号从哪里来，到哪里去；电源从哪里进从哪里出，给哪些器件用？

网口的组成

  以太网大家应该都很熟悉：有网口，变压器，PHY芯片，主芯片等构成，当然还有一种找不到变压器的情况，那可能就是集成了。

第一种：
          
第二种：
           
  当然还有第三种情况，就不介绍了，有的硬件或者EMC考虑到防护设计，会在网口电路中加入一级或者多级防护电路。这个一般是硬件或者EMC考虑的事，PCB设计者当然懂得也更好。如果增加了防护设计，按信号流向处理即可。

  关于这个PHY和MAC还是杨医生觉得还是要解释下：

  以太网接口可分为协议层和物理层。 协议层是由一个叫MAC(Media Access Layer，媒体访问层)控制器的单一模块实现。 物理层由两部分组成，即PHY(Physical Layer，物理层)和传输器。 例如我们常见的网卡芯片都是把MAC和PHY集成在一个芯片中，但目前很多主板的南桥芯片已包含了以太网MAC控制功能，只是未提供物理层接口，因此，需外接PHY芯片以提供以太网的接入通道。

  接下来就是认识网口传输的信号。

  网口我们现在常见的有百兆网口，千兆网口两种，细心的设计者会发现百兆网口是只有两对差分的，一对收，一对发；但是千兆网口往往有四对差分，两对收，两对发。这里的差分信号就是TX,RX。

  从PHY到主芯片的信号我们也可以大致了解，PHY芯品通过不同的接口（SI/MII/GMII）配合不同的晶振（时钟）进行信号的传输。For example：

  有了这些基础，那PCB上的布局布线就非常之easy了。先上图再分析

             
依照上面大致的布局图我们可以得出以下注意事项（整个布局思路从RJ45连接器到MAC，按顺序说明，大家布局时可参考）：

  1，首先看RJ45，一般都是定位器件， 靠近板边放置。这个是常规布局，根据结构要求来放置即可。

  2，RJ45和变压器之间的距离尽可能的短，器件布局的原则是通常按照信号流向放置，切不可绕来绕去；建议长度小于1000mil。

  3，网口变压器的放置方向位置初次级需要完全隔离开来。

  4，变压器初级端由电容电阻组成的电路是专用的bob smith电路，需要靠近放置。

  **bob smith电路作用：**通过一个网络变压器+Bob Smith匹配，其作用网络变压器主要有信号传输、阻抗匹配、网络变压器主要有信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用。而Bob Smith 电路的作用是为了改善端口EMC的差模，共模阻抗匹配的端接处理方式。这种电路能有效的滤除共模干扰，该电路可以降低10dB左右的EMI衰减。

  5，变压器次级端中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器管脚，保证引线最短，分布电感最小；

  6，PHY芯片模块的方向最好正对着变压器，尽可能靠近的放置，以保持接口芯片固有的A/D隔离，另外路径的最短话可以做到平衡走线，减少干扰信号向板内耦合。

  7，Phy芯片中的晶振远离接口、PCB边缘和其他的高频设备、走线或磁性元件周围。

接着我们来看看布线上的问题:

  1，关于网口变压器两端的GND处理，常规是净空，即网口部分所有层挖空，变压器下方挖空。

       
业界还有一种情况：

  变压器的两边做割地处理：即RJ45连接座和变压器的次级线圈用单独的隔离地，隔离区域100mil以上，且在这个隔离区域下没有电源和地层存在。

  反正核心原理就是：做好隔离，避免耦合！毕竟外来的还是不干净的。

2，另外一个最优先处理的信号：差分信号。

  其一，以太网的信号线是以差分对（Rx±、Tx±）的形式存在，差分线具有很强共模抑制能力，抗干扰能力强；尽量保持差分对平行、等长、短距，避免过孔、交叉。

  其二，初级的网口差分信号可适当加粗抗干扰，无需控制阻抗。但次级端需要需对Rx±、Tx±差分对进行阻抗控制，通常阻抗控制在100Ω±10%。

  其三，做对内等长，由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在使得差分线长度不匹配，时序会发生偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量。相应的要对差分对不匹配的情况作出补偿，使其线长匹配，长度差通常控制在5mil以内，补偿原则是哪里出现长度差补偿哪里；

  其四, 附近不要有其他高速信号线，做好间距要求，提高抗干扰能力。

3，PHY芯片到MAC芯片的信号做组间等长处理，参考时钟，控制范围可在±50mil。 具体哪些信号需要控等长，请参考之前疑难杂症。、点击进入：

4，其他如电容放置fanout，晶振电路设计，灯信号处理等等，按常规要求处理好。

  其他一些相关问题答疑：

1、中间抽头为什么有些接电源？有些接地？

  这个主要是与使用的PHY芯片UTP口驱动类型决定的，这种驱动类型有两种，电压驱动和电流驱动。电压驱动的就要接电源；电流驱动的就直接接个电容到地即可！所以对于不同的芯片，中心抽头的接法，与PHY是有密切关系的，具体还要参看芯片的datasheet和参考设计了。为什么接电源时，又接不同的电压呢？这个也是所使用的PHY芯片资料里规定的UTP端口电平决定的。决定的什么电平，就得接相应的电压了。即如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.3v的就上拉到3.3v。

2，空间不足，变压器是否可以不接？接了为什么要掏空？

  从理论上来说，是可以不需要接变压器，直接接到RJ45上，也许能正常工作的。但是传输距离就很受限制，而且当接到不同电平网口时，也会有影响。而且外部对芯片的干扰也很大。当接了网络变压器后，它主要用于信号电平耦合。其一，可以增强信号，使其传输距离更远；其二，使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用（如雷击）；其三，当接到不同电平（如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V）的网口时，不会对彼此设备造成影响。至于掏空的原因是为了防止变压器转换的时候影响下面的电源和地。

MAC和PHY结构

从硬件角度来看以太网是由CPU，MAC，PHY三部分组成的，如下图示意：

  上图中DMA集成在CPU，CPU,MAC,PHY并不是集成在同一个芯片内，由于PHY包含大量模拟器件，而MAC是典型的数字电路，考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，将MAC集成进CPU而将PHY留在片外，这种结构是最常见的。 下图是网络接口内部结构图，虚框表示CPU，MAC集成在CPU中，PHY芯片通过MII接口与CPU上的MAC连接:

以上是以太网结构大框架，下面分别介绍各个部分。

MAC

  MAC(Media Access Control) 即媒体访问控制层协议。MAC由硬件控制器及MAC通信协议构成。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。MAC硬件框图如下图所示：

  在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC(逻辑链路控制)层。该层协议是以太网MAC由IEEE-802. 3以太网标准定义。一般以太网MAC芯片的一端连接PCI总线，另一端连接PHY芯片上通过MII接口连接。

PHY

  PHY（Physical Layer）是IEEE802.3中定义的一个标准模块，STA（Station Management Entity，管理实体，一般为MAC或CPU）通过MIIM（MII Manage Interface）对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。PHY的基本结构如下图：

  PHY在发送数据的时候,收到MAC过来的数据(对PHY来说,没有帧的概念,对它来说,都是数据）然后把并行数据转化为串行流数据,再按照物理层的编码规则把数据编码,再变为模拟信号把数据送出去，收数据时的流程反之。
PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能，它可以检测到网络上是否有数据在传送,如果有数据在传送中就等待,一旦检测到网络空闲,再等待一个随机时间后将送数据出去.如果两个碰巧同时送出了数据,那样必将造成冲突,这时候冲突检测机构可以检测到冲突,然后各等待一个随机的时间重新发送数据。

  PHY寄存器的地址空间为5位，从0到31最多可以定义32个寄存器（随着芯片功能不断增加，很多PHY芯片采用分页技术来扩展地址空间以定义更多的寄存器），IEEE802.3定义了地址为0-15这16个寄存器的功能，地址16-31的寄存器留给芯片制造商自由定义，如下表所示：

注：

  上图B和E表示在特定接口下，寄存器是基本的还是扩展的。例如：MII接口下只有0和1寄存器是基本的，其它的是扩展的。所为扩展是指留给IEEE以后的扩展特性用，不是给PHY厂商的扩展，PHY厂商自定义的只能是16~31号寄存器 。
  在IEEE标准文档及某些PHY手册中，某寄存器的比特(bit)用X.y表示，如0.15表示第0寄存器的第15位。

MII

  MII（Media Independent interface）即介质无关接口，它是IEEE-802.3定义的行业标准，是MAC与PHY之间的接口。MII数据接口包含16个信号和2个管理接口信号，如下图所示：

信号定义如下：

  MAC 通过MIIM 接口读取PHY 状态寄存器以得知目前PHY 的状态。例如连接速度、双工的能力等。也可以通过 MIIM设置PHY的寄存器达到控制的目的。例如流控的打开关闭、自协商模式还是强制模式等。MII以4位半字节方式传送数据双向传输，时钟速率25MHz。其工作速率可达100Mb/s。当时钟频率为2.5MHz时，对应速率为10Mb/s。MII接口虽然很灵活但由于信号线太多限制多接口网口的发展，后续又衍生出RMII，SMII等。

RMII

  RMII(Reduced Media Independant Interface),精简MII接口，节省了一半的数据线。RMII收发使用2位数据进行传输，收发时钟均采用50MHz时钟源。信号定义如下：

  其中CRS_DV是MII中RX_DV和CRS两个信号的合并，当物理层接收到载波信号后CRS_DV变得有效，将数据发送给RXD。当载波信号消失后，CRS_DV会变为无效。在100M以太网速率中，MAC层每个时钟采样一次RXD[1:0]上的数据，在10M以太网速率中，MAC层每10个时钟采样一次RXD[1:0]上的数据，此时物理层接收的每个数据会在RXD[1:0]保留10个时钟。

SMII

  SMII（Serial Media Independant Interface）,串行MII接口。它包括TXD,RXD,SYNC三个信号线，共用一个时钟信号，此时钟信号是125MHz,信号线与此时钟同步。信号定义如下：

  SYNC是数据收发的同步信号，每10个时钟同步置高一次电平，表示同步。TXD和RXD上的数据和控制信息，以10bit为一组。发送部分波形如下：

  从波形可以看出，SYNC变高后的10个时钟周期内，TXD依次输出一组10bit的数据即TX_ER,TX_EN,TXD[0:7]，这些控制信息和MII接口含义相同。在100M速率中，每一组的内容都是变换的，在10M速率中，每一组数据需要重复10次，采样任一一组都可以。

GMII

  GMII（Gigabit Media Independant Interface），千兆MII接口。GMII采用8位接口数据，工作时钟125MHz，因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准，该接口定义见IEEE 802.3-2000。信号定义如下：

RGMII

RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精简GMII接口。相对于GMII相比，RGMII具有如下特征：

• 发送/接收数据线由8条改为4条
• TX_ER和TX_EN复用，通过TX_CTL传送
• RX_ER与RX_DV复用，通过RX_CTL传送
• 1 Gbit/s速率下，时钟频率为125MHz
• 100 Mbit/s速率下，时钟频率为25MHz
• 10 Mbit/s速率下，时钟频率为2.5MHz

信号定义如下：

  虽然RGMII信号线减半，但TXC/RXC时钟仍为125Mhz，为了达到1000Mbit的传输速率，TXD/RXD信号线在时钟上升沿发送接收GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在时钟下降沿发送接收TXD[7:4]/RXD[7:4],并且信号TX_CTL反应了TX_EN和TX_ER状态，即在TXC上升沿发送TX_EN,下降沿发送TX_ER，同样的道理试用于RX_CTL，下图为发送接收的时序：