幾MHz的低速信號也能出問題嗎

在設(shè)計中，通常總是優(yōu)先處理光口、PCIE等高速信號、或者是音頻等模擬信號。規(guī)劃使用最優(yōu)的層，最優(yōu)的通道，阻抗、延時、串擾等細節(jié)也被優(yōu)化到極致。然而剩下的低速信號往往不被重視。但是有些低速信號表示自己也是要面子的，你不重視我，我就給你顏色看。比如咱們今天的主角MDC＆MDIO信號。

MDC＆MDIO是串行管理接口（Serial Management Interface）的信號。MDIO是用來讀／寫PHY的寄存器，以控制PHY的行為或獲取PHY的狀態(tài)，MDC則為MDIO提供時鐘。

我們來看一個案例：PCB設(shè)計中的MDC時鐘信號如下圖左，仿真波形如下圖右。

U14是驅(qū)動端，U1／U12／U13接收端。U12接收端的信號從仿真波形來看，在判別區(qū)域內(nèi)信號邊沿有回溝和振鈴，有誤觸發(fā)的風險。

原因分析：現(xiàn)有拓撲下，因為U12是很靠近源端的，U14到U13這段長距離走線成為STUB，因為分支非常長，導致反射不能淹沒在上升沿中，信號出現(xiàn)回溝。

根據(jù)分析結(jié)果以及PCB的實際情況，評估了切實可行的優(yōu)化方案：即變更布線拓撲結(jié)構(gòu)，使用星型拓撲結(jié)構(gòu)，并刪除源端串聯(lián)端接，在每個分支處進行端接。預期結(jié)果如下：

大家是不是覺得已經(jīng)可以結(jié)束了？

客戶根據(jù)我們提供的優(yōu)化方案進行了修改，但是客戶覺得還不夠保險，在我的優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，自己又在MDC的源端增加了一個LC濾波器，并在MDIO的每個分支都增加了LC濾波器。

優(yōu)化后的結(jié)果詳見下記仿真：紅色波形是原方案的仿真信號波形，綠色波形是在原方案基礎(chǔ)上客戶‘優(yōu)化’后的仿真波形。

MDC：

MDIO：Write

MDIO：Read

從仿真結(jié)果來看，MDC時鐘信號倒是沒有回溝了。但是MDIO信號如今已經(jīng)涼透了?？吹竭@個結(jié)果，我……

幾MHz的信號能差到這個程度也是非常不容易的。經(jīng)過排查，問題出在了新加的LC濾波器上，根據(jù)官網(wǎng)下載的DATAsheet顯示，該器件電感量為350nH，電容量是110pF。

由于客戶在原始方案基礎(chǔ)上增加LC濾波器。此濾波器具有很強的感性。導致讀／寫中途有很大的感性突變，導致信號的反射。且由于每個分支都有濾波器，導致信號會在多個分支上來回反射，信號質(zhì)量受到嚴重影響。之前用于改善信號質(zhì)量的各分支串聯(lián)端接。不但起不到改善信號質(zhì)量的作用，還使得信號質(zhì)量更差。

至于為什么MDIO 的Write ／Read差異如此之大？由于數(shù)據(jù)線在讀／寫模式狀態(tài)下的端接電阻的相對位置是不同的?，F(xiàn)在的拓撲正好是差的更差（Read），好的更好的一個狀態(tài)（Write），所以讀／寫的信號波形差異非常大。在刪除LC濾波器后，信號恢復到預期水平。

由此可見即使是幾MHz的低速信號，拓撲的使用不當也可能導致信號質(zhì)量不良，所以在設(shè)計類似連接多個IC的信號時，選擇合適的拓撲尤為重要。另外提醒一下，如果拓撲改變，原本的為了改善信號質(zhì)量的端接方案就不一定適合新的拓撲了，需要根據(jù)新的拓撲進行合理的調(diào)整，沒有經(jīng)過驗證不要隨意添加濾波器，否則可能會適得其反。

審核編輯：符乾江