網路變壓器的作用、原理及主要引數
前言圖1所示的網路變壓器(ethernet transformer，也稱資料汞/網路隔離變壓器)模組是網絡卡電路中不可或缺的部分，它主要包含中間抽頭電容、變壓器、自耦變壓器、共模電感。該變壓器一般都安裝在網絡卡的輸入端附近。工作時，由收發器送出的上行資料訊號從絡變壓器的pin16-pin15進入，由pin10-pin11輸出，經rj45型轉接頭，再通過非遮蔽雙絞線送往伺服器；伺服器送來的下行資料訊號經另一對非遮蔽雙絞線和rj45型轉接頭，由pin7-pin6進入，由pin1-pin2輸出，然後送到網絡卡的收發器上。
本文將主要分析網路變壓器的原理、主要引數及實現的功能。
ethernet transformer主要實現以下三個功能：
1.滿足ieee 80
2.3電氣隔離要求
2.無失真傳輸乙太網訊號
3.輻射發射的抑制
電氣隔離
任何cmos製程的晶元工作的時候產生的訊號電平總是大於0v的(取決於晶元的製程和設計需求)，phy輸出訊號送到100公尺甚至更長的地方會有很大的直流分量的損失。而且如果外部網線直接和晶元相連的話，電磁感應(打雷)和靜電，很容易造成晶元的損壞。
再就是裝置接地方法不同，電網環境不同會導致雙方的0v電平不一致，這樣訊號從a傳到b，由於a裝置的0v電平和b點的0v電平不一樣，這樣可能會導致很大的電流從電勢高的裝置流向電勢低的裝置。
網路變壓器把phy送出來的差分訊號用差模耦合的線圈耦合濾波以增強訊號，並且通過電磁場的轉換耦合到連線網線的另外一端。這樣不但使網線和phy之間沒有物理上的連線而換傳遞了訊號，隔斷了訊號中的直流分量，還可以在不同0v電平的裝置中傳送資料。
網路變壓器本身就是設計為耐2kv~3kv的電壓的。也起到了防雷保護作用。有些朋友的網路裝置在雷雨天氣時容易被燒壞，大都是pcb設計不合理造成的，而且大都燒毀了裝置的介面，很少有晶元被燒毀的，就是變壓器起到了保護作用。
隔離變壓器可滿足ieee802.3的絕緣要求，但不能抑制emi。
共模抑制
在雙絞線中的每一根導線是以雙螺旋形結構相互纏繞著。流過每根導線的電流所產生的磁場受螺旋形的制約。流過雙絞線中每一根導線的電流方向,決定每對導線發射噪音的程度。
在每對導線上流過差模和共模電流所引起的發射程度是不同的,差模電流引起的噪音發射是較小的,所以噪音主要是由共模電流決定。
1. 雙絞線中的差模訊號
對差模訊號而言,它在每一根導線上的電流是以相反方向在一對導線上傳送。如果這一對導線是均勻的纏繞,這些相反的電流就會產生大小相等,反向極化的磁場,使它的輸出互相抵消。在無遮蔽雙絞線系統中的差模訊號如圖2所示
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在無遮蔽雙絞線中,不含噪音的差模訊號不產生射頻干擾。
2. 雙絞線中的共模訊號
共模電流在兩根導線上以相同方向流動,並經過寄生電容cp到地返回。在這種情況下,電流產生大小相等極性相同的磁場,它們的輸出不能相互抵消。如圖6所示,共模電流在對絞線的表面產生乙個電磁場,它的作用正如天線一樣。
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在無遮蔽對絞線中,共模訊號產生射頻干擾。
3. 共模、差模噪音及其emc
電纜上噪音有從電源電纜和訊號電纜上產生的輻射噪音和傳導噪音兩大類。這兩大類中又分為共模噪音和差模噪音兩種。差模傳導噪音是電子裝置內部噪音電壓產生的與訊號電流或電源電流相同路徑的噪音電流,如圖4所示。
減小這種噪音的方法是在訊號線和電源線上串聯差模扼流圈、併聯電容或用電容和電感組成低通濾波器,來減小高頻的噪音,如圖5所示。
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差模輻射噪音是圖4電纜中的訊號電流環路所產生的輻射。這種噪音產生的電場強度與電纜到觀測點的距離成反比,與頻率的平方成正比,與電流和電流環路的面積成正比。因此,減小這種輻射的方法是在訊號輸入端加lc低通濾波器阻止噪音電流流進電纜;使用遮蔽電纜或扁平電纜,在相鄰的導線中傳輸回流電流和訊號電流,使環路面積減小。
共模傳導噪音是在裝置內噪音電壓的驅動下,經過大地與裝置之間的寄生電容,在大地與電纜之間流動的噪音電流產生的,如圖6所示。
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減小共模傳導噪音的方法是在訊號線或電源線中串聯共模扼流圈、在地與導線之間併聯電容器、組成lc濾波器進行濾波,濾去共模傳導雜訊。其電路如圖7所示。
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共模扼流圈是將訊號線與地線同方向繞在鐵氧體磁芯上構成的,它對線間流動的差模訊號電流和電源電流阻抗很小,而對兩根導線與地之間流過的共模電流阻抗則很大。共模輻射噪音是由於電纜埠上有共模電壓,在其驅動下,從大地到電纜之間有共模電流流動而產生的。輻射的電場強度與電纜到觀測點的距離成反比,(當電纜長度比電流的波長短時)與頻率和電纜的長度成正比。
減小這種輻射的方法有：通過**路板上使用地線面來降低地線阻抗,在電纜的埠處使用lc低通濾波器或共模扼流圈。另外,盡量縮短電纜的長度和使用遮蔽電纜也能減小輻射。
網路變壓器中整合的共模電感可有效抑制共模電流引起的emi問題，但需要特別注意共模電感的位置，如果放在晶元側，則不適合於電流驅動型的晶元，如圖8所示，當電流流經共模電感的方向相同時，共模電感磁芯中並沒有磁力線相互抵消，此時共模電感的阻抗阻礙電流的變化，進而影響到正常工作的訊號。
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如果放在電纜側，為保證bob **ith電路的匹配作用，需要再增加乙個自耦變壓器，如圖9。
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以上方案需要多增加乙個磁芯，所以目前應用更多的是使用三線共模電感，如圖11。此種方案既可以適用於電流驅動型的晶元，而且只需要兩個磁芯，減少了成本。
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圖11所示的方案還有乙個好處，就是對於地上的共模雜訊有很好的抑制作用，如圖12，當地雜訊是共模源時，電流同向經過3個線圈，共模阻抗較
大，起到抑
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變壓器與噪音傳導
理想變壓器理論上是完美的電路元件,它能用完美的磁耦合在初級和次級繞組之間傳送電能。理想變壓器只能傳送交變的差模電流。它不能傳送共模電流,因為共模電流在變壓器繞組兩端的電位差為零,不能在變壓器繞組上產生磁場。
實際變壓器初級和次級繞組之間有乙個很小但不等於零的耦合電容cww,見圖13。
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這個電容是繞組之間存在非電介質和物理間隙所產生的。增加繞組之間的空隙和用低介電常數的材料填滿繞組之間的空間就能減小繞組之間電容的數值。電容cww為共模電流提供一條穿過變壓器的通道,其阻抗是由電容量的大小和訊號頻率來決定的。
中間抽頭(center tap)
中間抽頭主要有兩個作用：
1. 為共模電流提供低阻抗路徑，降低共模電流/電壓(同choke作用)
2. 為transceiver中rx/tx訊號提供直流偏置
所以對於不同的問題頻率點，我們可以選擇不同的電容值以提供低阻抗返回路徑。對於不同晶元和不同pcb，此容值選擇多少可以達到效果，需實際嘗試，但有一點可以確定，此電容對網口輻射發射有著很大影響
bob **ith電路
此電路有兩種功能：提供網口任意兩隊差分訊號間150ohm的阻抗匹配;可
以對共模訊號提供乙個回流路徑。
考慮到第一種功能，我們就可以清楚看到為什麼共模電感放在電纜側時不能
滿足bob **ith電路的匹配要求，如圖14所示：
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此時匹配電阻不是150ohm，而變成z=2×75+2×zcmc，不能滿足其阻抗匹配要求，所以兩線共模電感不能放在電纜側，如果放在電纜側，則需要額外增加乙個自耦變壓器。
考慮第二種功能，它所能提供的阻抗：
要想在較寬頻率範圍內獲得低阻抗，需要控制連線阻抗，保證bob—**ith 電路的低阻抗連線。針對不同的問題頻率點還可以適當凋整電路中電容的容值。其作用與中心抽頭電容類似，但因為其路徑上有75ohm的串聯電阻，並且此電
容為高壓電容，容值很難選得很大，所以其對網口輻射發射的影響並沒有中心抽頭那麼明顯，但也是我們可以調整解決網口問題的乙個方面。
主要引數
圖15是變壓器等效電路圖，圖16為mnc h1606dg產品的主要參數列，
其中涉及的主要引數有
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1. 開路電感(ocl)：open circuit inductance，圖15中的
2. 漏電感：leakage inductance，圖15中的、，與變壓器耦合係數有關，
(取決於繞線技術和磁芯)
3. 互繞電容：interwinding capacitance，圖15中c12是也。小的話對於
變壓器訊號沒有影響，過大則為共模電流提供低阻抗路徑，由此會產生不利效果
4. 直流阻抗：dc resistance圖15中rl1、rl2
5. 變壓器變壓比：turn ratio，初級和次級線圈匝數比
6. 插入損耗db：insertion loss=20xlog(v1/v2)，其中v1為插入變壓器後
輸出端的電平，v2是未插變壓器時輸出端電平。此參量用以衡量插入變壓器後
對傳輸訊號的影響，越小越好。一般指網路變壓器對訊號衰減程度與訊號頻率之
間的關係曲線
7. 回波損耗db：return loss，衡量插入網路變壓器後系統阻抗失配程度與訊號頻率之間的關係曲線return loss=20xlog(vr/vi)，其中vr為反射訊號幅度，vi為入射訊號幅度
8. 交越干擾db：cross talk，兩個單元電路中的乙個單元電路中的訊號v1與感應到另乙個單元電路中的訊號v2之比值cross talk =20xlog(v2/v1)
9. 共模抑制比db：cmrr=20xlog(vout/vin)，網路變壓器輸入端的共模干擾訊號幅度vin與輸出端的共模干擾訊號幅度vout之比值
10. 隔離電平：isolation hot-pot，電氣隔離電平
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tbd關於中間抽頭的接法問題(有的接地、有的接電源，電平值也有可能不一樣)，網上有以下一段q&a：
q：在乙太網裝置中，通過phy接rj45時，中間都會加乙個網路變壓器。有的變壓器中心抽頭接電源，有的又接電容到地。
而且接電源時，電源值又可以不一樣，3.3v，2.5v，1.
8v都有。這個變壓器的作用到底是什麼呢?
a：下面是乙個大概的解答：
1、中間抽頭為什麼有些接電源?有些接地?這個主要是與使用的phy晶元utp口驅動型別決定的，這種驅動型別有兩種，電壓驅動和電流驅動。
電壓驅動的就要接電源;電流驅動的就直接接個電容到地即可!所以對於不同的晶元，中心抽頭的接法，與phy是有密切關係的，具體還要參看晶元的datasheet和參考設計了。
2、為什麼接電源時，又接不同的電壓呢?這個也是所使用的phy晶元資料裡規定的utp埠電平決定的。決定的什麼電平，就得接相應的電壓了。
即如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.
3v的就上拉到3.3v。
3.這個變壓器到底是什麼作用呢，可不可以不接呢。從理論上來說，是可以不需要接變壓器，直接接到rj45上，也是能正常工作的。
但是呢，傳輸距離就很受限制，而且當接到不同電平網口時，也會有影響。而且外部對晶元的干擾也很大。當接了網路變壓器後，它主要用於訊號電平耦合。
其一，可以增強訊號，使其傳輸距離更遠;其二，使晶元端與外部隔離，抗干擾能力大大增強，而且對晶元增加了很大的保護作用(如雷擊);其三，當接到不同電平(如有的phy晶元是2.5v，有的phy晶元是3.3v)的網口時，不會對彼此裝置造成影響。
總的來說，網路變壓器主要有訊號傳輸、阻抗匹配、波形修復、訊號雜波抑制和高電壓隔離等作用。
查詢phy晶元資料，沒有發現utp埠電平的相關描述，因此這個地方還存在疑問。
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