Ethernet RMII pada PCB dua lapis

PENDAHULUAN: Saya bertujuan untuk merancang sistem yang terhubung Ethernet sebagai hobi (mis. Banyak waktu tetapi tidak ingin menghabiskan banyak). Kendala desain saya idealnya akan menempel pada PCB 2 layer 100mm x 100mm dengan lubang min 0,3mm dan track / clearance 0,15mm min, hingga total stackup tipis 0,6mm. Biaya memproduksi PCB 4-lapisan di pabrik saya yang sudah dikenal melebihi komponen pada jumlah yang saya butuhkan (hanya satu yang benar-benar, tetapi hingga 10 PCB menggunakan biaya yang sama dalam kasus khusus saya).

PENDEKATAN SAYA: Sebuah mikrokontroler ATSAME54N20 dengan built-in Ethernet MAC yang terhubung dengan RMII ke PHS KSZ8091RNA di Altium Designer.

PERTANYAAN 1: Apa peluang keberhasilan saya? Mempertahankan impedansi karakteristik 68ohms ke GND (GND masih belum dituangkan) untuk jejak RMII tampaknya tidak mungkin bahkan dengan opsi penumpukan ketinggian total 0,6mm, namun panjang jejak maksimum kurang dari 30mm, dengan jejak seperti CLK menjadi 4mm panjang. Apakah masalah dering dan refleksi mungkin muncul dalam sirkuit seperti ini?

PERTANYAAN 2: Kedua jejak TX dirutekan bersama dan terpisah dari RX, meskipun tidak ada pencocokan panjang yang dilakukan. Haruskah saya mempertimbangkan toleransi pencocokan panjang ketat?

PERTANYAAN 3: NET disorot suku cadang dengan pergi melalui dua pin yang tidak digunakan yang akan diatur ke impedansi tinggi. Apakah ini praktik umum? Apakah integritas sinyal terpengaruh dengan melakukan ini? Apakah menggunakan vias merupakan praktik yang lebih baik?

CATATAN 1: Saya menemukan topik membahas jejak berjalan melalui NC bantalan pin, dalam kasus saya saya bertanya-tanya sedang sekitar didokumentasikan pin yang tidak terpakai. Saya juga menemukan posting ini , namun saya berencana untuk memoles ulang papan ini sendiri dan kurang pengalaman dalam melakukannya, jadi saya lebih suka untuk menghindari memotong pin dan berurusan dengan kekuatan tegangan permukaan yang tidak rata yang bekerja pada chip.

CATATAN 2: trek impedansi diferensial 100ohm dari PHY ke magnet belum dijalankan, tetapi mereka keluar dari PHY tanpa mendekati sinyal RMII.

CATATAN 3: Saya mengambil kesempatan ini untuk berterima kasih kepada komunitas atas pengetahuan dan bantuan mereka. Saya harap seseorang menemukan posting saya bermanfaat di masa depan!

MENGIKUTI:

• Semua jaring RMII panjangnya dicocokkan dengan 29.9mm +/- 0.1mm.
• Pin yang tidak digunakan tidak digunakan untuk menjalankan jejak.
• Stackup terdiri dari papan ketebalan total 1.6mm dan tidak ada impedansi terkontrol yang dibuat.
• GND masih perlu dituangkan, bersama dengan beberapa poligon 3.3V, tidak melanggar di bawah trek apa pun.

Apakah desain ini lebih baik?

Apakah itu terlihat bisa berfungsi?

IKUTI 2:

- Waveguide coplanar dengan ground diimplementasikan untuk pencocokan impedansi yang lebih dekat.

Jawaban paling komprehensif untuk impedansi saluran transmisi yang benar untuk jejak RMII yang saya temukan adalah Wikipedia:

Sinyal RMII diperlakukan sebagai sinyal yang disatukan daripada saluran transmisi; tidak ada terminasi atau impedansi terkontrol yang diperlukan; output drive (dan dengan demikian laju perubahan tegangan) harus selambat mungkin (naik kali dari 1-5) untuk memungkinkan hal ini. Driver harus mampu menggerakkan kapasitansi 25 pF yang memungkinkan jejak PCB hingga 0,30 m. Setidaknya standar mengatakan sinyal tidak perlu diperlakukan sebagai saluran transmisi. Namun, pada laju tepi 1 ns jejak lebih panjang dari sekitar 2,7 cm, efek saluran transmisi bisa menjadi masalah yang signifikan; pada 5 ns, jejak bisa 5 kali lebih lama. Versi IEEE dari standar MII terkait menentukan impedansi jejak 68.. National merekomendasikan menjalankan 50 Ω jejak dengan 33 Ω (menambah impedansi keluaran driver) seri resistor pemutusan untuk mode MII atau RMII untuk mengurangi pantulan.

Beberapa lainnya termasuk spesifikasi RMII v1.2:

Semua koneksi dimaksudkan untuk menjadi koneksi point-to-point pada PCB. Biasanya koneksi ini dapat diperlakukan sebagai jalur pendek elektrik dan refleksi saluran transmisi dapat diabaikan dengan aman. Baik konektor maupun impedansi karakteristik untuk jejak PCB yang panjang secara elektrik tidak termasuk dalam ruang lingkup spesifikasi ini. Drive output direkomendasikan untuk dijaga serendah mungkin untuk meminimalkan kebisingan level papan dan EMI.

Dan pedoman Sun Microsystems:

Seperti sinyal MII, sinyal GMII akan menjadi sumber yang dihentikan untuk menjaga integritas sinyal per persamaan berikut: Rd (Impedansi Penyangga) + Rs (Impedansi Pengakhiran Sumber = Z0 (Impedansi Saluran Transmisi).

• Semua jaring RMII panjangnya dicocokkan dengan 40mm +/- 0.1mm.
• Pin yang tidak digunakan tidak digunakan untuk menjalankan jejak sinyal.
• Pin yang tidak digunakan digunakan untuk koneksi GND dan 3.3V.
• Stackup terdiri dari papan ketebalan total 1,6mm.

Apakah desain ini lebih baik?

Apakah itu terlihat bisa berfungsi?

Apakah mengikat beberapa pin ke 3.3V atau GND dapat diterima? Saya bisa melakukannya tanpa latihan ini.

Berapa banyak vias yang harus saya tempatkan di sepanjang pandu gelombang coplanar? Ada ruang ekstra untuk lebih banyak ATM.

Jejak GND antara jejak sinyal mencapai lebar 0,15mm, apakah ini OK?

Terima kasih sebelumnya atas bantuan Anda yang menjawab! Saya sangat menghargai itu !

Saya pikir Anda akan baik untuk 100BaseT (sinyal RMII 50MHz), meskipun untuk alasan lain saya pikir ini masih merupakan desain yang berisiko. Saya tidak punya waktu untuk melakukan analisis pengaturan waktu & impedansi yang menyeluruh, tetapi saya dapat memberikan komentar tidak langsung berikut:

a) Sementara saya tidak tahu di mana Anda berada atau apakah Anda memiliki akses ke kartu kredit, 4-layer PCB sangat terjangkau dari banyak perakit PCB. OSHpark.com muncul di pikiran. Dengan mengatasi batasan ini, (b) masalah Anda (poin berikutnya) juga dihindari.

b) Menyambungkan ke bantalan "NC" berisiko dan tidak-tidak dalam pengaturan profesional. Mungkin mereka benar-benar "NC", atau mungkin mereka "dicadangkan" untuk beberapa penggunaan di masa depan pada sepotong silikon yang diperbarui yang tidak hanya masuk ke IC terkait baru yang erat, tetapi juga pembuatan IC ini di masa depan. Jelas akan ada bingkai timah di sana, tapi mungkin juga mengikat kawat ke silikon. Anda tidak tahu, tidak hari ini, dan tidak di masa depan. Inilah sebabnya mengapa mfg mengatakan "No Connect"! Itu "didokumentasikan dengan baik" (mengatakan siapa?) NC hari ini dapat terhubung ke beberapa silikon besok. Tapi mungkin ini tidak masalah dalam situasi Anda untuk sekali saja.

c) Kecepatan sinyal melalui tembaga pada FR4 adalah sekitar 6 "/ 15cm per ns. Dilihat dari datasheet KSZ8091 (7.0 Diagram Waktu), saya pikir Anda ingin timing Anda akurat dalam 1ns. Jadi, Anda punya banyak ruang (panjang) untuk bekerja dengan sini, jauh lebih dari tata letak 'sempit' Anda saat ini; dari perspektif waktu Anda tidak perlu sedekat itu dengan MCU. Secara pribadi saya tidak akan terlalu terjebak pada waktu & panjang- cocok dalam situasi ini, saya tidak berpikir itu akan menjadi masalah. Karena itu, itu praktik yang baik untuk sinyal cepat ini menjadi sama, karena ini penting dalam desain yang lebih cepat. Untung Anda memiliki ruang untuk menarik PHY chip lebih jauh dari MCU untuk memberi Anda ruang untuk pencocokan panjang.

d) Integritas & Impedansi Sinyal: Dengan ground-side ground Anda berada sejauh 0,6mm, itu tidak membuat Anda mendapatkan banyak kopling atau kontrol impedansi. Inilah sebabnya mengapa ada 4-layer PCB :-). Jika saya jadi Anda, saya akan menggunakan ruang ekstra (jarak antara PHY & MCU) yang tersedia (dari perspektif waktu) untuk juga menambahkan beberapa 0402 resistor secara seri dengan sinyal 50MHz ini (ditempatkan paling dekat dengan sumber), sehingga Anda punya opsi untuk memperlambatnya dan membawa komponen R dari impedansi Anda ke atas, jika dering (pantulan) adalah masalah. Jika Anda tetap menggunakan 2-layer, maka saya juga akan menggunakan ruang yang tersedia antara PHY & MCU untuk menambahkan beberapa tuangkan tembaga yang terhubung ke tanah di sisi atas antara sinyal-sinyal berkecepatan tinggi ini.

Menariknya, saya melihat sesuatu yang aneh di GS305 murah Netgear (kanan), dan bahkan lebih murah (kiri) GS105 5-port switch Gigabit Ethernet. IIRC, sebagai Gigabit, ini akan menjadi ~ 250MHz sinyal ke magnet, di mana orang akan berpikir kontrol impedansi akan lebih penting. Kemudian lagi, saya menduga magnet mereka hanya dinilai untuk 10 / 100BaseT, bukan 1000, tetapi mereka tampaknya lolos begitu saja!

Model GS105 yang lebih murah hanya 2 lapisan:

Untuk RMII, saya yakin Anda ingin semua jejaknya cocok dengan garis jam. Tetapi, pada beberapa jejak Anda akan memiliki kapasitansi ekstra dari bantalan ekstra, yang akan memperlambat mereka lebih banyak, dan saya tidak yakin bagaimana menjelaskannya.

Apakah 10 Mbps cukup baik? Jika demikian, Anda mungkin baik-baik saja.