KSZ8091RNA/RND：10BASE-T/100BASE-TX PHY的卓越之选

在当今的电子设备中，以太网通信扮演着至关重要的角色。KSZ8091RNA/RND作为一款单电源10BASE - T/100BASE - TX以太网物理层收发器，为数据传输提供了高效、可靠的解决方案。下面，我们就来深入了解一下这款产品。

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一、产品概述

KSZ8091RNA/RND是高度集成的PHY解决方案，适用于通过标准CAT - 5非屏蔽双绞线（UTP）电缆进行数据的传输和接收。它采用单3.3V电源供电，集成了1.2V核心电源的低噪声稳压器，使用片上差分对终端电阻，不仅降低了电路板成本，还简化了电路板布局。同时，它提供了Reduced Media Independent Interface（RMII），可直接与符合RMII的以太网MAC处理器和交换机连接。

1.1 版本差异

KSZ8091RNA默认使用25 MHz晶体生成所有所需时钟，包括为MAC提供的50 MHz RMII参考时钟输出；而KSZ8091RND默认采用50 MHz RMII参考时钟输入。二者均采用24引脚、无铅QFN封装。

二、引脚描述与配置

2.1 引脚分配

该产品共有24个引脚，涵盖了电源、信号输入输出等多种功能。例如，VDD_1.2为1.2V核心电源，需用2.2 µF和0.1 µF电容接地去耦；VDDA_3.3为3.3V模拟电源；RXM、RXP、TXM、TXP为物理收发信号引脚等。

2.2 引脚功能

不同引脚具有不同的功能，如XI引脚在RMII - 25 MHz模式下输入25 MHz ±50 ppm的晶体/振荡器/外部时钟，在RMII - 50 MHz模式下输入50 MHz ±50 ppm的振荡器/外部时钟。REF_CLK引脚在RMII - 25 MHz模式下为MAC提供50 MHz RMII参考时钟输出，在RMII - 50 MHz模式下不使用。

2.3 配置选项

PHYAD[2:0]和PME_EN等引脚在复位解除时被锁存。在某些系统中，为确保引脚正确锁存预期值，可能需要在PHYAD[1:0]和PME_EN引脚添加外部上拉（4.7 kΩ）或下拉（1.0 kΩ）电阻。

三、功能描述

3.1 10BASE - T/100BASE - TX收发器

3.1.1 100BASE - TX发送

100BASE - TX发送功能包括并行到串行转换、4B/5B编码、扰码、NRZ到NRZI转换以及MLT3编码和传输。输出信号符合ANSI TP - PMD标准，具有典型的4ns上升/下降时间。

3.1.2 100BASE - TX接收

接收功能包括自适应均衡、DC恢复、MLT3到NRZI转换、数据和时钟恢复、NRZI到NRZ转换、解扰、4B/5B解码以及串行到并行转换。

3.1.3 扰码器/解扰器

扰码器用于扩展传输信号的功率谱，减少电磁干扰（EMI）和基线漂移；解扰器则用于恢复扰码信号。

3.1.4 10BASE - T发送

10BASE - T驱动器与100BASE - TX驱动器集成，可使用同一磁芯进行传输。输出信号在标准10BASE - T模式下典型幅度为2.5V峰值，在节能10BASE - Te模式下为1.75V峰值。

3.1.5 10BASE - T接收

接收端使用输入缓冲器和电平检测静噪电路，通过差分输入接收器电路和锁相环（PLL）进行解码。静噪电路可防止噪声误触发解码器。

3.1.6 PLL时钟合成器

在RMII - 25 MHz时钟模式下，KSZ8091RNA/RND从外部25 MHz晶体、振荡器或参考时钟生成所有内部和外部时钟；在RMII - 50 MHz时钟模式下，从外部50 MHz振荡器或系统时钟生成。

3.1.7 自动协商

该产品符合IEEE 802.3规范第28条定义的自动协商协议，允许非屏蔽双绞线（UTP）链路伙伴选择最高的共同操作模式。自动协商可通过硬件引脚（ANEN_SPEED）或软件（寄存器0h，位[12]）启用。

3.2 RMII数据接口

RMII是一种低引脚数的媒体独立接口，具有8个引脚，支持10 Mbps和100 Mbps数据速率，数据传输和接收独立。其信号包括REF_CLK、TXEN、TXD[1:0]、CRS_DV、RXD[1:0]和RXER等。

3.3 背对背模式 - 100 Mbps铜中继器

两个KSZ8091RNA/RND设备可背对背连接，形成100BASE - TX铜中继器。通过配置共同的50 MHz参考时钟、相关寄存器和连接RMII信号，可实现该功能。

3.4 MII管理（MIIM）接口

支持IEEE 802.3 MII管理接口，允许上层设备（如MAC处理器）监控和控制KSZ8091RNA/RND的状态。该接口包括时钟线（MDC）和数据线（MDIO），以及特定的通信协议。

3.5 中断（INTRP）

INTRP引脚用于通知外部控制器PHY寄存器状态更新。通过寄存器1Bh的位[15:8]设置中断条件，位[7:0]指示中断状态。

3.6 HP Auto MDI/MDI - X

该功能消除了在KSZ8091RNA/RND和其链路伙伴之间选择直连电缆或交叉电缆的困扰，可自动检测和调整连接。默认情况下该功能启用，可通过寄存器1Fh的位[13]禁用。

3.7 环回模式

支持本地（数字）环回和远程（模拟）环回，用于验证模拟和/或数字数据路径。

3.8 LinkMD®电缆诊断

使用时域反射计（TDR）分析电缆故障，包括开路、短路和阻抗不匹配。通过访问寄存器1Dh和1Fh可启动诊断测试。

3.9 NAND树支持

提供参数化NAND树支持，用于检测芯片I/O和电路板之间的故障。通过特定的测试流程，可检查数字I/O引脚连接是否正常。

3.10 电源管理

3.10.1 节能模式

当电缆拔出时，通过向寄存器1Fh的位[10]写入‘1’启用，可降低收发器功耗。

3.10.2 能量检测掉电模式

通过向寄存器18h的位[11]写入‘0’启用，进一步降低功耗。

3.10.3 掉电模式

向寄存器0h的位[11]写入‘1’可进入掉电模式，仅保留MII管理接口功能。

3.10.4 慢振荡器模式

向寄存器11h的位[5]写入‘1’可启用，与掉电模式配合，使设备进入最低功耗状态。

3.11 节能以太网（EEE）

实现了IEEE Standard 802.3az的节能以太网功能，在无流量活动期间，通过低功耗空闲（LPI）模式节省功率。可通过特定的编程序列启用100 Mbps EEE模式和10BASE - Te模式。

3.12 网络唤醒（WOL）

可通过检测特殊数据包（如魔法数据包）、自定义数据包或链路状态变化来唤醒处于待机电源模式的主机系统。默认情况下该功能禁用，可通过设置相关寄存器启用。

四、寄存器描述

4.1 寄存器映射

包括标准寄存器和MDIO可管理设备（MMD）寄存器。标准寄存器提供直接读写访问，MMD寄存器提供间接读写访问。

4.2 标准寄存器

涵盖基本控制、基本状态、PHY标识符等多种寄存器，每个寄存器的不同位具有不同的功能，如寄存器0h的位[15]用于软件复位，位[14]用于环回模式等。

4.3 MMD寄存器

通过标准寄存器Dh和Eh作为门户寄存器访问。MMD寄存器包括PMA/PMD控制、EEE广告、WOL控制等多种功能寄存器。

五、电气特性

5.1 绝对最大额定值

超过绝对最大额定值可能损坏设备，操作时需注意。

5.2 工作额定值

包括不同电源电压范围和环境温度范围，设备在超出工作额定值时可能无法正常工作。

5.3 电气参数

如不同模式下的电源电流、CMOS电平输入输出电压、LED输出驱动电流等。

六、时序图

6.1 RMII时序

包括数据接收和输入的时序，以及相关的时序参数，如时钟周期、建立时间、保持时间和输出延迟等。

6.2 自动协商时序

涉及快速链路脉冲（FLP）的时序参数，如FLP突发间隔、宽度等。

6.3 MDC/MDIO时序

规定了MDC时钟频率、MDIO信号的建立和保持时间等参数。

6.4 上电/复位时序

明确了电源电压上升时间、稳定时间、配置设置和保持时间等要求。

七、参考电路与配置

7.1 复位电路

提供了由电源触发复位和由其他设备（如CPU或FPGA）驱动复位的推荐电路。

7.2 LED绑带引脚参考电路

展示了不同VDDIO电压下LED绑带引脚的上拉、浮空和下拉参考电路。

7.3 参考时钟连接与选择

说明了25 MHz和50 MHz参考时钟的连接方式和选择标准。

7.4 磁性连接与选择

需要1:1隔离变压器，推荐了相关的磁性特性和兼容的单端口磁性元件。

八、总结

KSZ8091RNA/RND以其丰富的功能、高效的性能和灵活的配置选项，为以太网通信提供了可靠的解决方案。无论是在游戏控制台、IP电话、IP机顶盒等消费电子设备，还是在工业控制等领域，都能发挥重要作用。电子工程师在设计相关产品时，可以充分利用该产品的特点，优化电路板设计，提高系统的稳定性和性能。你在使用这款产品时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。