3.3 如何配置以太网参考时钟

大家好，欢迎观看讨论 TI 以太网 PHY 的 参考时钟要求的TI 高精度实验室 视频。 在本次课程中，我们将讨论 CMOS 晶体 振荡器架构以及在选择晶体时 要考虑的重要参数。 我们还将逐步进行计算， 以确定参考时钟设计的 负载电容器和限流电阻器的值。 右图显示了典型的TI 以太网 PHY 晶体 振荡器电路。 振荡器电路包含晶体 谐振器和内部反相放大器。 该电路包含两个电阻器，即 R1 和 R 反馈或 Rfb，它们是可选的，具体取决于 使用的 PHY 和选择的晶体。 该类型的振荡器电路称为皮尔斯振荡器。 该振荡器使用必须 符合所选PHY 数据表中 所显示要求的AT 切割晶体。 AT 切割晶体是最常见的晶体类型。 这些将是我们的重点讨论内容。 该晶体还应是并联谐振晶体， 不应是串联谐振晶体。 R1 是限流电阻器， 如果晶体的最大驱动水平低于 500 微瓦， 则可能需要该电阻器。 Rfb 是一个反馈电阻器，用于在启动条件下 对逆变器进行偏置。 反馈电阻器通常为兆欧量级， 可以对数字逆变器进行偏置，以用作 模拟放大器。 该电阻器在您的PHY 中不是必需的。 查看 PHY 数据表，以确定是否需要 该反馈电阻器。 现在让我们来讨论在选择晶体时 需要注意的一些重要参数。 频率容差，这是晶体频率的初始精度， 以百万分之一为单位。 该参数通常在25 摄氏度下指定。 频率稳定性是晶体频率随温度变化的 漂移。 该参数通常在晶体的整个工作 范围内指定。 确保选择工作温度范围与您的应用 相匹配的晶体。 负载电容由晶体供应商指定。 ESR 是晶体的有效串联电阻。 驱动水平表示晶体耗散的 最大允许功率。 选择正确的晶体和振荡器电路组件 至关重要，因为PHY 的 MDI 和 MII 接口都进行了计时。 如果未选择正确的组件， 则新设计的PHY 可能会 遇到 IEEE 802.3 合规性测试或物理层互操作性 测试问题。 频率容差、频率稳定性 和晶体老化之和应满足 数据表中的 PHY参考时钟要求。 可以将 PHY参考时钟的 所需频率精度视为集总要求。 通过将参考时钟频率精度视为 集总要求，使TI PHY 能够使用 更广泛的晶体。 例如，IEEE 802.3标准规定的 典型频率精度为正/负 100ppm。 对于频率容差为正/负 50ppm、 稳定性规格为正/负 25ppm 或负 40 摄氏度至 85 摄氏度且 老化规格为5ppm/年的晶体， 其总精度为正/负 80ppm， 可轻松满足IEEE 要求。 如果某个晶体的这些规格组合 小于正/负 100ppm，则该晶体是可以接受的。 如果选择的晶体超过 PHY 的频率精度， 则可能对误码率产生负面影响， 甚至更糟的是，PHY 可能无法 与链接伙伴进行链接。 负载电容也是晶体的一个重要 参数。 负载电容会影响晶体的 频率精度和驱动水平。 我们将在后面的部分中对此进行讨论。 ESR 对晶体启动和驱动水平 都有显著的影响。 建议在所有TI PHY 中使用 ESR 小于 50欧姆的晶体。 这将有助于确保以足够高的隔离 幅度启动，以免在链路信号上 引起过多的抖动。 最后，必须仔细控制驱动水平。 与 TI PHY 一起使用的晶体应至少支持 100 微瓦的最大驱动水平。 让我们来谈谈负载电容器以及 如何选择它们。 在设计 TI PHY 的晶体电路时， 有必要确定要放置在晶体上的 负载电容器的正确值。 晶体看到的总容性负载 应与晶体数据表中指定的负载参数 相匹配。 各个负载电容器的 值将不等于晶体数据表中指定的 负载容量。 如此处所示，晶体看到的 实际容性负载值是针对杂散电容 进行调整的 CL1 和CL2 的串联等效值。 负载电容器将与晶体串联出现， 然后电容器的串联组合将与 PCB 的杂散电容以及 XI 和 XO 引脚 缓冲器相并联。 作为一般的经验法则，可以将杂散 电容估计为6 皮法，其中 包括 XI 和 XO引脚的电容 以及引线电容。 PHY 数据表通常会指定引脚电容。 引线电容取决于 PCB 布局。 杂散电容估算以及晶体所需的 负载电容可以简化为一个简单的 公式，以估算PHY 初始 启动时的负载电容器 CL1 和 CL2。 如果 PHY 的时钟输出可用， 则应通过监测该输出来检查 晶体的振荡频率。 如果通过使用示波器探测晶体 网络来直接观察晶体振荡器频率， 则在正常运行期间 示波器探头的电容负载 会将晶体拉离实际 振荡频率。 另请注意，即使在监测 时钟输出时，示波器也不会 为频率测量提供足够的测量精度。 为了进行精确的测量，应使用精度 至少为八个有效数字的 频率计数器。 再说一遍，单个负载电容器的 值不等于晶体数据表中指定的 负载电容。 限流电阻器选择。 如果所选晶体的最大驱动水平 小于 500 微瓦，则 TI PHY 需要 一个限流电阻器 R1。 让我们来看看逐步确定 R1 值的 方法。 第一步是估算 R1 的值。 这是通过计算 CL2 负载电容器在 25 兆赫兹下的 阻抗来实现的。 选择电阻器时，应使其电阻 恰好等于振荡频率下的 CL2 阻抗。 对于该一阶近似， 可以忽略寄生效应。 接下来，晶体电路激活并振荡之后， 应该测量驱动水平， 以确保不超过晶体的数据表参数，否则 晶体可能会因为过度驱动而过早 老化或损坏。 观察晶体驱动水平的 最佳方法是测量流过晶体的电流。 为了计算晶体驱动水平，在工作 频率下将流经晶体的电流 RMS 值的平方乘以晶体的 ESR。 需要注意的一点是，ESR 数据表 限制通常是一个比正态分布高四 至六西格玛的值。 这通常会导致高估 晶体内部耗散的功率。 如果从数据表中获取用于计算 驱动水平的ESR 值，则计算 得出的驱动水平可能是晶体实际 驱动水平的四倍。 接下来，确保驱动水平不违反供应商 数据表的规定。 如果计算得出的驱动水平高于 数据表中规定的最大驱动水平， 请增大 R1 的值以减小流经晶体的电流。 最后，XI 引脚是高阻抗输入。 通过将 CL1 的阻抗乘以流经 晶体的电流来估算 XI 引脚处的 电压摆幅。 确保与所选电阻器相对应的 电压摆幅满足 PHY XI 引脚的要求。 感谢您抽出宝贵的时间 学习有关设计以太网参考时钟的知识。 请开始测验，以测试您对 所介绍材料的理解。 要查找更多以太网技术资源和搜索产品， 请访问 ti.com/ethernet。