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作者：Heinz Zenkner 博士，伍爾特電子獨立顧問(wèn) 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用正變得越來(lái)越廣泛，尤其在工業(yè)領(lǐng)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(shù)的儀表可以建立工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )的傳播特性好，帶寬低，不過(guò)目前開(kāi)發(fā)的大部分產(chǎn)品局限于低于 1 Mbit/s 的低數據量傳輸場(chǎng)景。 無(wú)線(xiàn)數據傳輸的方式天生不如有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可靠。因此，特別是在工業(yè)環(huán)境中，有時(shí)候有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是唯一可行的解決方案。 有線(xiàn)以太網(wǎng) 與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)似，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在終端之間以數據幀的方式進(jìn)行傳輸。 目前，通信速率有 100Base-TX （100 Mbit/s 快速以太網(wǎng)）、千兆以太網(wǎng)（1 Gbit/s）、萬(wàn)兆以太網(wǎng)（10 Gbit/s）和 100G 以太網(wǎng)（100 Gbit/s）。對于大多數應用，千兆以太網(wǎng)可以在常規的網(wǎng)線(xiàn)上正常工作，如 CAT5e 和 CAT6 線(xiàn)纜。這些線(xiàn)纜符合 1000BASE-T 標準，即IEEE 802.3ab。 千兆以太網(wǎng)接口符合 802.3ab-1999（CL40）標準，需要四對線(xiàn)或通道。 因此每個(gè)通道的編碼傳輸速率是125 兆 (MBd)，帶寬為 62.5 MHz （每個(gè)編碼 2 位數據）。1000BASE-T（千兆以太網(wǎng)）的差分信號典型值是 750 mV ，負載 100Ω 時(shí)的限值為 820 mV > Vsignal > 670 mV。 千兆以太網(wǎng)前端 典型的以太網(wǎng)前端使用 RJ45 端口，可用于全雙工傳輸。能實(shí)現這一點(diǎn)是因為連接器中包含兩對信號線(xiàn)，每個(gè)方向一對（差分電壓）。IEEE 標準要求RJ45 使用變壓器實(shí)現電氣隔離。變壓器可以保護設備免受線(xiàn)路高壓，或者設備之間的電位差引起的損害。千兆以太網(wǎng)接口的電路圖如圖1所示。 
圖1：千兆以太網(wǎng)接口基本電路，由包含四個(gè)通道 千兆以太網(wǎng)接口分立電路 網(wǎng)絡(luò )變壓器（LAN 變壓器）是設備連接網(wǎng)線(xiàn)的接口。在設備和線(xiàn)纜之間的變壓器能夠提供必須的隔離，同時(shí)匹配阻抗和實(shí)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(xiàn)纜和設備之間的共模信號，同時(shí)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(mǎn)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(wǎng)接口電路圖。LAN 變壓器在電子設備和網(wǎng)線(xiàn)之間提供直流隔離。初級側繞組的中心抽頭進(jìn)行了“Bob Smith”匹配：每對線(xiàn)連接一個(gè) 75 Ω 電阻到“星形點(diǎn)”，然后通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)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(cháng)的網(wǎng)線(xiàn)通過(guò)容性或感性耦合的噪音，這些共模干擾可能會(huì )影響通信。
圖2：千兆以太網(wǎng)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(wǎng)接口區域四層PCB板布線(xiàn)。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(huì )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(wǎng)格的過(guò)孔連接。網(wǎng)口差分信號參考地平面，阻抗 100 Ω ,差分線(xiàn)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。
圖3：以太網(wǎng)接口區域PCB四層布線(xiàn) X3變壓器模塊就近放置，以盡量減少耦合或長(cháng)走線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電干擾發(fā)射EN55032 B類(lèi)標準。千兆以太網(wǎng)接口電路和布線(xiàn)需要考慮射頻設計、取決于產(chǎn)品整體系統的接地方式以及正確的器件選擇。更多信息可參見(jiàn)伍爾特電子的應用指導，網(wǎng)址為 [https://www.we-online.com/applicationguide/en]。 關(guān)于作者 工程學(xué)博士 Heinz Zenkner 伍爾特電子技術(shù)應用獨立顧問(wèn)，也是技術(shù)學(xué)院 EMC 領(lǐng)域的講師。同時(shí)，Heinz 是一位廣受認可的 EMC 專(zhuān)家。他撰寫(xiě)了許多技術(shù)論文和書(shū)籍，并在多所大學(xué)、IHK 和許多研討會(huì )上擔任講師。 |
