自70年代以來，光纖憑借自身的一些固有特性(如不受噪聲干擾、保密性好以及高傳輸帶寬等)成為各種應(yīng)用領(lǐng)域的理想傳輸介質(zhì)。近年來，隨著布線標(biāo)準(zhǔn)的改變，光電器件、光纜、連接器技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用帶寬的逐步升級，光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品應(yīng)用日益普及，很多用戶開始考慮用“光纖到桌面”來替代水平布線系統(tǒng)中的銅纜方案。但完整地考慮一個光纖到桌面的解決方案，不僅要有光纖信息出口和光纖配線箱，還需要價格昂貴的光纖網(wǎng)卡和光出口集線器，整個系統(tǒng)成本大大提高。一種經(jīng)濟(jì)有效的實現(xiàn)光纖到桌面的方法是使用光纖
收發(fā)器(即光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換器)。光纖收發(fā)器尤其是快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器不僅大大簡化局域網(wǎng)的升級，而且可以保護(hù)原有銅纜LAN設(shè)備的投資，成為當(dāng)前市場的迫切需要。
如圖1(a)所示，快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器包括三個基本功能模塊：光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片、光信號接口(RJ45)和電信號接口(光收發(fā)一體模塊)，如果配備網(wǎng)管功能則還包括網(wǎng)管信息處理器(可編程邏輯芯片或MII接口)。快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計包括元器件的選擇和印刷電路板設(shè)計兩個方面。本文從以上兩個方面介紹其設(shè)計思路與方法。
元器件的選擇
在快速以太網(wǎng)光纖
收發(fā)器設(shè)計中，元器件的選擇舉足輕重，它決定了產(chǎn)品的性能、壽命和成本。光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片(OEMC)是整個收發(fā)器的核心。選擇介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片是快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器設(shè)計的第一步，也是非常重要的一步。它的選擇直接影響和決定了其它元器件的選擇。
光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標(biāo)有：
1．網(wǎng)管功能
網(wǎng)絡(luò)管理是網(wǎng)絡(luò)可靠性的保證，是提高網(wǎng)絡(luò)效益的方式，網(wǎng)絡(luò)管理的運行、管理、維護(hù)等功能可以大大增加網(wǎng)絡(luò)的可用時間，提高網(wǎng)絡(luò)的利用率、網(wǎng)絡(luò)性能、服務(wù)質(zhì)量、安全性和經(jīng)濟(jì)效益。但研制有網(wǎng)管功能的快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器所需的人力、物力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過無網(wǎng)管的同類產(chǎn)品，主要表現(xiàn)在：
(1) 硬件投資。快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器網(wǎng)管功能的實現(xiàn)有兩種方式：一是在收發(fā)器電路板上配置可編程邏輯芯片作為網(wǎng)管信息處理器，來處理網(wǎng)管信息，該芯片利用OEMC上的雙向管理指令接口(MDIO)、管理數(shù)據(jù)同步時鐘輸入接口(MDC)及被管理信息輸入/輸出管腳等接口，獲取管理信息。如圖1(b)所示，管理信息與網(wǎng)路上的普通數(shù)據(jù)共用數(shù)據(jù)通道。第二種方式如圖1(c)所示，快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器上沒有管理信息處理器，收發(fā)器外部的網(wǎng)絡(luò)管理者通過MII接口獲取管理信息。可見，有網(wǎng)管功能的快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器，元器件種類及數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于無網(wǎng)管的同類產(chǎn)品，相應(yīng)地，布線復(fù)雜，開發(fā)周期長。
(2) 軟件投資。有網(wǎng)管功能快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的研發(fā)工作除了硬件布線外，軟件編程也十分重要。網(wǎng)管軟件的開發(fā)工作量較大，包括上層圖形化用戶接口部分、下層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備代理嵌入式系統(tǒng)處理信息部分、上下層接口及嵌入式系統(tǒng)編程語言與可編程芯片的接口。選用合適的編程軟件很必要，設(shè)計者既可選用C、JAVA等傳統(tǒng)語言，也可以選用專門的網(wǎng)管編程軟件如：AdventNet公司的Management Builder和Agent Toolkit等。
(3) 調(diào)試工作。有網(wǎng)管功能快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的調(diào)試工作包括兩部分：軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。在調(diào)試過程中，電路板布線、元器件性能、元器件焊接、PCB板質(zhì)量、環(huán)境條件以及軟件編程中的任一因素都會影響快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的性能。調(diào)試人員必須具備綜合素質(zhì)，全面考慮收發(fā)器出現(xiàn)故障的各種因素。
(4) 人員的投入。普通快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計只需一個硬件工程師便可完成。有網(wǎng)管功能的快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計工作除了需要硬件工程師完成電路板布線外，還需要至少一位軟件工程師完成網(wǎng)絡(luò)管理的編程，而且要求軟硬件設(shè)計者密切配合。
2．兼容性
OEMC應(yīng)支持IEEE802、CISCO ISL等常用網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，以保證快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器有良好的兼容性。
3．環(huán)境要求
a. 輸入輸出電壓。OEMC的工作電壓多為5伏或3.3伏，但快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器上另一個重要的器件——光收發(fā)一體模塊的工作電壓絕大多數(shù)為5伏。若兩者工作電壓不一致，則會增加PCB板布線的復(fù)雜程度。
b. 工作溫度。在選擇OEMC的工作溫度時，開發(fā)人員需從最不利的條件出發(fā)并留有余地，比如夏天最高氣溫達(dá)40℃，而快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器機箱內(nèi)部因為各種元器件尤其是OEMC發(fā)熱，溫度比環(huán)境還要高10℃到20℃，因此，快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器工作溫度的上限指標(biāo)一般不應(yīng)低于70℃。
印刷電路板的設(shè)計
快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器電路屬于高頻電路(一般高于1MHz)，電磁干擾是影響其性能的最重要的因素，信號頻率越高，電磁干擾對PCB性能的影響就越大。因此，如何有效地抑制電磁干擾是快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器PCB設(shè)計的關(guān)鍵。
快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器上電磁干擾的主要形式及抑制措施：
1．PCB板與外部接口處的電磁干擾及其抑制
PCB板與外部接口處的電磁干擾主要指來自雙絞線的共模信號。雙絞線中的每對導(dǎo)線以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞。共模電流Icom在兩根導(dǎo)線上以相同方向流動，并經(jīng)過寄生電容Cp到地返回。在這種情況下，電流產(chǎn)生大小相等極性相同的磁場，它們的輸出不能相互抵消，引起射頻干擾。抑制方法：在光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片與RJ45口之間加入一個共模扼流器，則可以有效地減少共模信號引起的射頻干擾。共模電流以相同的方向流過共模扼流圈繞組的每一邊，建立大小相等相位相同的相加磁場使共模扼流圈對共模信號呈現(xiàn)高阻抗，通過共模扼流圈的共模電流大大地減弱。
2．電源系統(tǒng)引起的干擾及其抑制：
電源系統(tǒng)的電磁干擾主要來自整流電路的紋波干擾、電源開關(guān)噪聲干擾以及電源寄生耦合干擾。
A．整流電路的紋波干擾。整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流之后，這種脈動直流本身是一種50Hz(單相半波)或100Hz(單相全波或橋式整流)以及它們的高次諧波疊加在一起的紋波干擾。如果濾波電路不佳或濾波不足，這種50Hz(或100Hz)的紋波電壓就會對快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器電路形成干擾。
B．電源開關(guān)噪聲干擾。快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器電源通電瞬間，電路中產(chǎn)生瞬變電流，引起噪聲干擾。
C．電源寄生耦合干擾。由于供電電源內(nèi)阻不可能為零，各級信號電流通過電源時，會在內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，這個交流信號電壓將會隨著直流通路送往其它級。對于多級級聯(lián)的電路，這種寄生耦合有可能形成寄生正反饋，再加上電路中存在著電感、電容等儲能元件，便會產(chǎn)生振蕩。
電源系統(tǒng)干擾的抑制方法主要是采用合適的濾波電路。一方面，在電路電源接入處，選用參數(shù)合適的磁珠與鉭電容組成濾波電路，消除電路中的瞬變電流或寄生振蕩，阻止電源或其它引線導(dǎo)入電路的高頻干擾。另一方面，對每一個有源器件的供電電源利用π型濾波電路單獨進(jìn)行二次濾波，濾波電容除了采用大容量的電解電容外，還需并聯(lián)一個小容量的非電解電容以消去電解電容產(chǎn)生的寄生電感(電解電容有微小的串聯(lián)寄生電感，高頻時會呈現(xiàn)可觀的阻抗)。
3. 接地系統(tǒng)引起的干擾及其抑制：
如圖4所示的單點接地法廣泛應(yīng)用于低頻電路，如果用在快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的高頻電路中，則不僅容易形成長地線從而增加地線的阻抗，而且地線間的雜散電感和分布電容也會造成電路間的相互耦合，使電路工作不穩(wěn)定。尤其是地線的長度達(dá)到信號1/4波長的奇數(shù)倍時，由于諧振地線阻抗迅速減小，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲干擾。采用圖5所示的多點接地法(即就近接地法)，把各電路的分支接地線分別接到總地線，可使各支地線的長度減到最短，因而有效地防止了地線電感和電容引起的干擾。但多點接地電路中由于各支地線呈串聯(lián)形式接入總地線，當(dāng)總地線在阻抗較大時會形成較嚴(yán)重的共地干擾，為此，總地線一般要用大面積的整塊銅箔。
為減少電磁干擾，在PCB板設(shè)計中除應(yīng)注意上述問題之外，元器件的放置以及印制板走線應(yīng)遵循以下原則：
1．高速信號線應(yīng)靠近一片連續(xù)無間隔的地。
2．差模信號線對盡可能彼此靠近，而遠(yuǎn)離其它信號線。
3．接收信號線與發(fā)送信號線應(yīng)彼此遠(yuǎn)離，彼此正交或中間用地隔開。
4．?dāng)?shù)字地與模擬地要分開，數(shù)字地層緊貼數(shù)字電源層，模擬地緊貼模擬電源層。
5．盡可能減短走線長度以減小其自感。
6．有些元器件，特別是磁性元件(如
濾波器)應(yīng)相互之間成90°放置。
隨著寬帶接入技術(shù)的迅速普及，光纖產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛。作為光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器成為市場的迫切需要。本文從光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片選擇和PCB設(shè)計兩方面闡述了快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計。
自70年代以來，光纖憑借自身的一些固有特性(如不受噪聲干擾、保密性好以及高傳輸帶寬等)成為各種應(yīng)用領(lǐng)域的理想傳輸介質(zhì)。近年來，隨著布線標(biāo)準(zhǔn)的改變，光電器件、光纜、連接器技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用帶寬的逐步升級，光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品應(yīng)用日益普及，很多用戶開始考慮用“光纖到桌面”來替代水平布線系統(tǒng)中的銅纜方案。但完整地考慮一個光纖到桌面的解決方案，不僅要有光纖信息出口和光纖配線箱，還需要價格昂貴的光纖網(wǎng)卡和光出口集線器，整個系統(tǒng)成本大大提高。一種經(jīng)濟(jì)有效的實現(xiàn)光纖到桌面的方法是使用光纖收發(fā)器(即光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換器)。光纖收發(fā)器尤其是快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器不僅大大簡化局域網(wǎng)的升級，而且可以保護(hù)原有銅纜LAN設(shè)備的投資，成為當(dāng)前市場的迫切需要。
如圖1(a)所示，快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器包括三個基本功能模塊：光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片、光信號接口(RJ45)和電信號接口(光收發(fā)一體模塊)，如果配備網(wǎng)管功能則還包括網(wǎng)管信息處理器(可編程邏輯芯片或MII接口)。快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計包括元器件的選擇和印刷電路板設(shè)計兩個方面。本文從以上兩個方面介紹其設(shè)計思路與方法。
元器件的選擇
在快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器設(shè)計中，元器件的選擇舉足輕重，它決定了產(chǎn)品的性能、壽命和成本。光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片(OEMC)是整個收發(fā)器的核心。選擇介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片是快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器設(shè)計的第一步，也是非常重要的一步。它的選擇直接影響和決定了其它元器件的選擇。
光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標(biāo)有：
1．網(wǎng)管功能
網(wǎng)絡(luò)管理是網(wǎng)絡(luò)可靠性的保證，是提高網(wǎng)絡(luò)效益的方式，網(wǎng)絡(luò)管理的運行、管理、維護(hù)等功能可以大大增加網(wǎng)絡(luò)的可用時間，提高網(wǎng)絡(luò)的利用率、網(wǎng)絡(luò)性能、服務(wù)質(zhì)量、安全性和經(jīng)濟(jì)效益。但研制有網(wǎng)管功能的快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器所需的人力、物力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過無網(wǎng)管的同類產(chǎn)品，主要表現(xiàn)在：
(1) 硬件投資。快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器網(wǎng)管功能的實現(xiàn)有兩種方式：一是在收發(fā)器電路板上配置可編程邏輯芯片作為網(wǎng)管信息處理器，來處理網(wǎng)管信息，該芯片利用OEMC上的雙向管理指令接口(MDIO)、管理數(shù)據(jù)同步時鐘輸入接口(MDC)及被管理信息輸入/輸出管腳等接口，獲取管理信息。如圖1(b)所示，管理信息與網(wǎng)路上的普通數(shù)據(jù)共用數(shù)據(jù)通道。第二種方式如圖1(c)所示，快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器上沒有管理信息處理器，收發(fā)器外部的網(wǎng)絡(luò)管理者通過MII接口獲取管理信息。可見，有網(wǎng)管功能的快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器，元器件種類及數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于無網(wǎng)管的同類產(chǎn)品，相應(yīng)地，布線復(fù)雜，開發(fā)周期長。
(2) 軟件投資。有網(wǎng)管功能快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的研發(fā)工作除了硬件布線外，軟件編程也十分重要。網(wǎng)管軟件的開發(fā)工作量較大，包括上層圖形化用戶接口部分、下層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備代理嵌入式系統(tǒng)處理信息部分、上下層接口及嵌入式系統(tǒng)編程語言與可編程芯片的接口。選用合適的編程軟件很必要，設(shè)計者既可選用C、JAVA等傳統(tǒng)語言，也可以選用專門的網(wǎng)管編程軟件如：AdventNet公司的Management Builder和Agent Toolkit等。
(3) 調(diào)試工作。有網(wǎng)管功能快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的調(diào)試工作包括兩部分：軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。在調(diào)試過程中，電路板布線、元器件性能、元器件焊接、PCB板質(zhì)量、環(huán)境條件以及軟件編程中的任一因素都會影響快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的性能。調(diào)試人員必須具備綜合素質(zhì)，全面考慮收發(fā)器出現(xiàn)故障的各種因素。
(4) 人員的投入。普通快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計只需一個硬件工程師便可完成。有網(wǎng)管功能的快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計工作除了需要硬件工程師完成電路板布線外，還需要至少一位軟件工程師完成網(wǎng)絡(luò)管理的編程，而且要求軟硬件設(shè)計者密切配合。
2．兼容性
OEMC應(yīng)支持IEEE802、CISCO ISL等常用網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，以保證快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器有良好的兼容性。
3．環(huán)境要求
a. 輸入輸出電壓。OEMC的工作電壓多為5伏或3.3伏，但快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器上另一個重要的器件——光收發(fā)一體模塊的工作電壓絕大多數(shù)為5伏。若兩者工作電壓不一致，則會增加PCB板布線的復(fù)雜程度。
b. 工作溫度。在選擇OEMC的工作溫度時，開發(fā)人員需從最不利的條件出發(fā)并留有余地，比如夏天最高氣溫達(dá)40℃，而快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器機箱內(nèi)部因為各種元器件尤其是OEMC發(fā)熱，溫度比環(huán)境還要高10℃到20℃，因此，快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器工作溫度的上限指標(biāo)一般不應(yīng)低于70℃。
印刷電路板的設(shè)計
快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器電路屬于高頻電路(一般高于1MHz)，電磁干擾是影響其性能的最重要的因素，信號頻率越高，電磁干擾對PCB性能的影響就越大。因此，如何有效地抑制電磁干擾是快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器PCB設(shè)計的關(guān)鍵。
快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器上電磁干擾的主要形式及抑制措施：
1．PCB板與外部接口處的電磁干擾及其抑制
PCB板與外部接口處的電磁干擾主要指來自雙絞線的共模信號。雙絞線中的每對導(dǎo)線以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞。共模電流Icom在兩根導(dǎo)線上以相同方向流動，并經(jīng)過寄生電容Cp到地返回。在這種情況下，電流產(chǎn)生大小相等極性相同的磁場，它們的輸出不能相互抵消，引起射頻干擾。抑制方法：在光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片與RJ45口之間加入一個共模扼流器，則可以有效地減少共模信號引起的射頻干擾。共模電流以相同的方向流過共模扼流圈繞組的每一邊，建立大小相等相位相同的相加磁場使共模扼流圈對共模信號呈現(xiàn)高阻抗，通過共模扼流圈的共模電流大大地減弱。
2．電源系統(tǒng)引起的干擾及其抑制：
電源系統(tǒng)的電磁干擾主要來自整流電路的紋波干擾、電源開關(guān)噪聲干擾以及電源寄生耦合干擾。
A．整流電路的紋波干擾。整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流之后，這種脈動直流本身是一種50Hz(單相半波)或100Hz(單相全波或橋式整流)以及它們的高次諧波疊加在一起的紋波干擾。如果濾波電路不佳或濾波不足，這種50Hz(或100Hz)的紋波電壓就會對快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器電路形成干擾。
B．電源開關(guān)噪聲干擾。快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器電源通電瞬間，電路中產(chǎn)生瞬變電流，引起噪聲干擾。
C．電源寄生耦合干擾。由于供電電源內(nèi)阻不可能為零，各級信號電流通過電源時，會在內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，這個交流信號電壓將會隨著直流通路送往其它級。對于多級級聯(lián)的電路，這種寄生耦合有可能形成寄生正反饋，再加上電路中存在著電感、電容等儲能元件，便會產(chǎn)生振蕩。
電源系統(tǒng)干擾的抑制方法主要是采用合適的濾波電路。一方面，在電路電源接入處，選用參數(shù)合適的磁珠與鉭電容組成濾波電路，消除電路中的瞬變電流或寄生振蕩，阻止電源或其它引線導(dǎo)入電路的高頻干擾。另一方面，對每一個有源器件的供電電源利用π型濾波電路單獨進(jìn)行二次濾波，濾波電容除了采用大容量的電解電容外，還需并聯(lián)一個小容量的非電解電容以消去電解電容產(chǎn)生的寄生電感(電解電容有微小的串聯(lián)寄生電感，高頻時會呈現(xiàn)可觀的阻抗)。
3. 接地系統(tǒng)引起的干擾及其抑制：
如圖4所示的單點接地法廣泛應(yīng)用于低頻電路，如果用在快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的高頻電路中，則不僅容易形成長地線從而增加地線的阻抗，而且地線間的雜散電感和分布電容也會造成電路間的相互耦合，使電路工作不穩(wěn)定。尤其是地線的長度達(dá)到信號1/4波長的奇數(shù)倍時，由于諧振地線阻抗迅速減小，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲干擾。采用圖5所示的多點接地法(即就近接地法)，把各電路的分支接地線分別接到總地線，可使各支地線的長度減到最短，因而有效地防止了地線電感和電容引起的干擾。但多點接地電路中由于各支地線呈串聯(lián)形式接入總地線，當(dāng)總地線在阻抗較大時會形成較嚴(yán)重的共地干擾，為此，總地線一般要用大面積的整塊銅箔。
為減少電磁干擾，在PCB板設(shè)計中除應(yīng)注意上述問題之外，元器件的放置以及印制板走線應(yīng)遵循以下原則：
1．高速信號線應(yīng)靠近一片連續(xù)無間隔的地。
2．差模信號線對盡可能彼此靠近，而遠(yuǎn)離其它信號線。
3．接收信號線與發(fā)送信號線應(yīng)彼此遠(yuǎn)離，彼此正交或中間用地隔開。
4．?dāng)?shù)字地與模擬地要分開，數(shù)字地層緊貼數(shù)字電源層，模擬地緊貼模擬電源層。
5．盡可能減短走線長度以減小其自感。
6．有些元器件，特別是磁性元件(如濾波器)應(yīng)相互之間成90°放置。
隨著寬帶接入技術(shù)的迅速普及，
光纖產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛。作為光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器成為市場的迫切需要。本文從光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片選擇和PCB設(shè)計兩方面闡述了快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計。
