1-Gigabit-Ethernet-Schnittstellen implementieren

Schaltungsentwickler erhalten mit dem 1-Gigabit-Ethernet-Referenzdesign von Würth Elektronik ein optimiertes Schaltungsdesign und -layout mit allen technischen Daten. Dies erleichtert die Implementierung einer zuverlässigen 1-Gigabit-Ethernet-Schnittstelle in ihrer Zielanwendung.

Das Referenzdesign RD016 umfasst zwei Schnittstellen, eine USB-Type-C (USB 3.1) - und eine 1-Gigabit-RJ45/Ethernet-Schnittstelle. Der GB-Ethernet-USB-Adapter ist auf Basis des Evaluation-Boards EVB-LAN7800LC von Microchip entwickelt worden. Die Schaltung ist auf einer 4-lagigen Leiterplatte aufgebaut und wird im vorliegenden Design über die USB-Schnittstelle mit Spannung versorgt.

Grundlagen der 1-GB-Ethernet-Schnittstelle

Ethernet wurde zunächst mit 10 Mbit/s über Koaxialkabel und später über ungeschirmte verdrillte Zweidrahtleitungen mit 10BASE-T weltweit verbreitet. Gegenwärtig sind 100BASE-TX (Fast Ethernet, 100 Mbit/s), Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), 10-Gigabit Ethernet (10 Gbit/s) und 100-Gigabit Ethernet (100 Gbit/s) verfügbar. Für die meisten Zwecke funktioniert Gigabit-Ethernet gut mit einem regulären Ethernet-Kabel, speziell mit den Verkabelungsstandards CAT5e, CAT6 und CAT6a. Diese Kabeltypen folgen dem 1000BASE-T-Verkabelungsstandard, auch IEEE 802.3ab genannt.

Aufgrund verschiedener Faktoren wie dem Overhead des Netzwerkprotokolls, erneuten Übertragungen aufgrund von Kollisionen auf der Übertragungsstrecke, oder sporadischen Datenfehlern, beträgt die nutzbare Datenrate unter normalen Bedingungen maximal 900 Mbit/s. Die durchschnittliche Verbindungsgeschwindigkeit variiert aufgrund vieler Faktoren, wie z. B. die Hardwarestruktur des PC, Anzahl der Clients am Router und nicht zuletzt der „Qualität“ der Ethernet-Verkabelung.

Ethernet-Protokoll zeichnet sich durch einige Besonderheiten aus

Die 1-GB-Ethernet-Schnittstelle arbeitet nach dem Standard 802.3ab-1999 (CL40) und benötigt vier Adernpaare / Kanäle zur Signalübertragung. Somit ergibt sich eine Symbolrate von 125 MBd (Megabaud) mit einer Bandbreite von 62,5 MHz pro Kanal (2 bit pro Symbol). Das GB-Ethernet-Protokoll zeichnet sich durch einige Besonderheiten aus. Der 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) PHY führt ein Verbindungs-Konfigurationsprotokoll aus, das als Auto-Negotiation bezeichnet wird. 8‑bit-Datenbytes werden in 10-bit-Codegruppen konvertiert, der 8B/10B-Code ist robust und verfügt über hervorragende Eigenschaften wie Übergangsdichte, Lauflängenbegrenzung, Gleichstromausgleich und Fehlerrobustheit. Alle Einzel-, Doppel- und Dreifach-bit-Fehler in einem Frame werden mit 100-prozentiger Zuverlässigkeit erkannt. Die Signalspannung bei 1000BASE-T beträgt durchschnittlich 750 mV differentiell, die Grenzen sind > 670 mV, < 820 mV bei einer Last von 100 Ω.

Welche Hardware die RJ34-Schnittstellen-Struktur braucht

RJ45-Schnittstellen sind für Vollduplex-Übertragungen ausgelegt, d. h. eine gleichzeitige Übertragung von Sende- und Empfangsdaten. Dies ist möglich, weil der Steckverbinder vier Adernpaare umfasst, wobei immer ein Paar für eine Richtung benötigt wird (Differenzspannungsprinzip). Grundsätzlich hat UTP (unshielded twisted pair) eine Impedanz von 100 Ω und STP (shielded twisted pair) 150 Ω (1000BASE-T: IEEE 802.3, z. B. Abschnitt 39). Im Falle von Markenkabeln gilt: 5e, 6 und 6a sind sowohl geschirmt als auch ungeschirmt erhältlich, und die Kategorien 7 und 7a sind immer geschirmt.

Für jeden RJ45-Anschluss wird vom IEEE-Standard eine galvanische Trennung per Übertrager gefordert. Dieser Übertrager schützt die Geräte vor Beschädigung durch Hochspannung auf der Leitung und verhindert Spannungsoffsets, die durch Potenzialunterschiede zwischen den Geräten auftreten können. In Bild 1 ist die Prinzipschaltung der Schnittstelle dargestellt.

Ankommend von der RJ45-Schnittstelle gelangt das Ethernet-Signal über die Gleichtaktdrossel zu den Übertragern. In Bild 1 ist nur einer von vier Kanälen dargestellt. Der Übertrager hat eine Mittelanzapfung die, signaltechnisch betrachtet, ein Nullpotenzial darstellt. Unsymmetrien wirken sich als Spannung an der Mittelanzapfung aus und werden über die 75-Ω‑Widerstände, die gleichspannungsmäßig über den Kondensator entkoppelt sind, gegen Masse abgeschlossen.

Der Übertrager weist ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 auf. Sekundärseitig gelangt das Ethernet-Signal über die vier Kanäle zum PHY. Auch hier beträgt die Impedanz 100 Ω differenziell, bzw. jeweils 50 Ω gegen Masse (GND). Die Mittelanzapfung des Übertragers ist auf der sekundären Seite über Kondensatoren wechselspannungsmäßig gegen Masse abgeschlossen.

Aufbau des 1-GB-Ethernet-Adapter-Boards

Das GB-Ethernet-USB-Adapter-Board ist in zwei verschiedenen Varianten verfügbar.

Variante V1.0 umfasst im Bereich der Ethernet-Schnittstelle diskrete Komponenten. Das heißt, das Anpassungsnetzwerk und der Induktivitäten-Block, bestehend aus Gleichtaktdrosseln und Übertragern, sind einzelne Komponenten, die auf der Leiterplatte platziert sind (Bild 2). In der Variante V2.0 sind die genannten Komponenten mit in das Gehäuse der RJ45-Buchse integriert (Bild 3).

Blockschaltung des GB-Ethernet-Boards

Der USB-3.1-Gigabit-Ethernet-Controller LAN7800 verbindet die USB-Schnittstelle mit der Ethernet-Schnittstelle als „Brücke“ (Bild 4). Somit sind für die Beschaltung der Schnittstellen lediglich die signaltechnischen Anpassungen und Entkopplungen zu realisieren. USB-seitig wird mit einem DC/DC-Wandler die für den LAN7800 notwendige 3,3 V Versorgungsspannung erzeugt. Der LAN7800 benötigt zur Speicherung der Firmware ein zusätzliches 4 Kbit EEPROM.

Notwendige Komponenten Ethernet-Board

Auf die folgenden Teilkomponenten, Controller, Stromversorgung und USB-3.1-Schnittstelle, wird hier nur kurz eingegangen, da der Schwerpunkt dieses Artikels auf der 1-GB-Ethernet-Schnittstelle liegt.

• 1-GB-Ethernet-Controller

Der LAN7800 ist ein hochleistungsfähiger USB-3.1-nach-1-GB-Ethernet-Controller mit integriertem Ethernet-PHY. Für die Onboard-Software wurde ein externes 4-Kbit-EEPROM spendiert.

• Stromversorgung +5 V auf +3,3 V

Der Controller benötigt eine Versorgungsspannung von 3,3 V. Diese wird hier mit dem Linearregler TLV757P erzeugt. Der LDO (Low-Dropout-Regler) reduziert die Spannung von 5,0 auf 3,3 V. Die 10 µF Eingangs- und Ausgangselkos sorgen für einen stabilen Betrieb, der 100-nF-X7R–Kondensator ausgangsseitig reduziert hochfrequente Störungen.

• USB-3.1-Schnittstelle

Die Datenleitungen der USB-Schnittstelle sind mit Gleichtaktdrosseln gegen Funkstörungen und mit TVS-Diodenarrays gegen transiente Überspannungen beschaltet.

• Ethernet-Schnittstelle

Der Ethernet-Transformer (LAN-Übertrager) ist die Schnittstelle zwischen Gerät und Ethernet-Kabel. Der Übertrager sorgt für die sicherheitsrelevante galvanische Trennung zwischen Gerät und Kabel und gleichzeitig für die Impedanzanpassung, einerseits zur internen Logik, andererseits an die symmetrischen Adernpaare. Weiterhin schützt der Übertrager das Gerät vor transienten Störungen, unterdrückt Gleichtaktsignale zwischen Transceiver-IC und Kabel, sowohl vom Gerät nach außen als auch vom äußeren Kabel zur Elektronik im Gerät. Jedoch muss das Bauteil auch die Daten bis zu 1 Gbit/s breitbandig übertragen, ohne das Sende- und das Empfangssignal wesentlich zu dämpfen. Um die Anpassung und die EMV-Anforderungen zu erfüllen sind zusätzliche Komponenten notwendig. Es gibt zwei Ansätze, um die Schnittstelle aufzubauen:

1. Der Einsatz eines fertigen Moduls, in dem die Ethernet-Buchse, der Übertrager und die Bob-Smith-Terminierung integriert sind, oben als Variante V2.0 bezeichnet.
2. Ein Aufbau mit diskreter Technik, hier Variante V1.0. Hier müssen alle Komponenten aneinander angepasst werden, jedoch bietet die Lösung mehr Freiheitsgrade. Die Auswahl der Bauelemente, die Anordnung und das Layout werden dem Entwickler überlassen. Es ist zwar etwas mehr Designaufwand erforderlich, aber die diskrete Version ist günstiger und es können, für spezielle Anforderungen, Isolationsspannungen bis 6 kV erreicht werden.

Da funktionstechnisch zwischen den beiden Varianten kein Unterschied besteht, wird die Schaltungstechnik der GB‑Ethernet‑Schnittstelle im Folgenden an der Variante V1.0 mit diskreten Komponenten erläutert.

1-GB-Ethernet-Front-End im Detail

Der LAN-Übertrager X3 in Bild 5 sorgt für eine DC-Trennung zwischen Elektronik und Netzwerkkabel. Die Prüfspannung für den Übertrager zwischen Primär- und Sekundärseite beträgt 1500 V_RMS/min.

Der mittlere Abgriff der primärseitigen Wicklung, also zum Ethernet-Port, hat den erwähnten „Bob-Smith“-Abschluss. Pro Adernpaar wird hier jeweils ein 75-Ω-Widerstand zu einem „Sternpunkt“ zusammengeschaltet, das Ganze wird dann galvanisch getrennt, mittels zwei parallel geschalteten 100-pF-Kondensatoren an die Gehäusemasse angeschlossen; in der Literatur findet man häufig Kondensatoren mit einer Kapazität bis zu 2 nF, was bezogen auf den Frequenzbereich einen relativ hohen Wert darstellt. Die Kondensatoren sollten mindestens eine Spannungsfestigkeit von 2 kV haben.

Der „Bob-Smith“-Abschluss wird verwendet, um Störungen zu reduzieren, die durch Gleichtaktstromflüsse verursacht werden und um die Anfälligkeit für Störungen durch unbenutzte Adernpaare am RJ45‑Anschluss zu reduzieren.

Bob Smith bezog sich auf eine Impedanz von etwa 145 Ω pro Adernpaar. Aufgrund von Marktverfügbarkeit vieler verschiedener Kabeltypen, Unterschieden in den Basisimpedanzen der verschiedenen Kabeltypen und der Tatsache, dass die Kabel wegen der Verdrillung keine konstante Impedanz über die Länge aufweisen, wurden zusätzlich Gleichtaktdrosseln implementiert (Bild 5).

So sind im Modul X3 jeweils ein Übertrager und eine Gleichtaktdrossel pro Kanal zusammengeschaltet. Diese Drosseln können zwar nicht die Abweichungen der Impedanzanpassung korrigieren, verbessern aber das EMV-Verhalten deutlich. Die Beschaltung der Elemente mit passiven Bauelementen und TVS-Dioden sowie das Platinen-Layout sind detailliert beschrieben. (neu)