高速FPGA设计PCB要点及相关指导

2013-11-04 14:56 来源:电子信息网 作者:铃铛

电路板设计中,为了尽量减少串扰,微带线和带状线的布线可以遵循几种指导原则。对于双带线版图,布线是在两层内板上进行,两面都有一个电压参考面,这时最好所有邻近层板的导线都采用正交布线技术,尽量增大两个信号层之间的介质材料厚度,并最小化每个信号层与其邻近参考平面间的距离,同时保持所需要的阻抗。

微带线或带状线布线指导原则

线迹间距至少三倍于电路板布线层间介质层的厚度;最好使用仿真工具预先模拟其行为。

对临界高速网络用差分代替单端拓扑,以把共模噪声的影响减至最小。在设计限度内,尽量匹配差分信号路径的正负引脚。

减小单端信号的耦合效应,留有适当间隔(大于三倍的线迹宽度),或者是在不同板层上布线(邻近层布线彼此正交)。此外,使用仿真工具也是满足间距要求的一个好办法。

把信号端接信号间的并行长度减至最短。

同时转换噪声

时钟和I/O数据速率提高时,输出转换次数相应减少,信号路径放电充电期间的瞬态电流随之增大。这些电流可能造成板级接地弹跳现象,即接地电压/Vcc瞬间上升/下降。非理想电源的大瞬态电流会导致Vcc的瞬间下降(Vcc下降或凹陷)。下面给出了几条很好的板设计规则,有助于减少这些同时转换噪声的影响。

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图为可用I/O被完全利用时推荐的信号、电源和接地层数目。

把不用的I/O引脚配置为输出引脚,并低电压驱动,以减小接地弹跳。

尽量减少同时转换输出引脚的数目,并使它们在整个FPGA I/O部分均匀分配。

不需要高边缘速率时,FPGA输出端选用低压摆率。

把Vcc安插到多层板的接地平面之间,以消除高速线迹对各层的影响。

把全部板层都用于Vcc和接地可使这些平面的电阻和电感最小,从而提供一个电容和噪声更低的低电感源,并在邻近这些平面的信号层上返回逻辑信号。

预加重、均衡

最先进的FPGA所具有的高速收发器能力,让它们成为高效的可编程系统级芯片元件,同时也为电路板设计人员带来了独特的挑战。一个关键问题,尤其与版图有关的,是与频率相关的传输损耗,主要由趋肤效应和介电损耗引起。当高频信号在导体表面(比如PCB迹线)传输时,由于导线的自感,就会产生趋肤效应。这种效应减小了导线的有效传导面积,削弱了信号的高频分量。介电损耗是由板层之间介质材料的电容效应所造成的。趋肤效应与频率的平方根成比例,而介电损耗与频率成比例;因此,介电损耗是高频信号衰减的主要损耗机制。

数据速率越高,趋肤效应和介电损耗就越严重。对1Gbps的系统,链路上信号电平的降低尚可接受,但在6Gbps的系统上就不能接受了。不过,现在的收发器具有发射器预加重(pre-emphasis)和接收器均衡(equalization)功能,可以补偿高频信道的失真。它们还可增强信号完整性,放宽线迹长度的限制。这些信号调节技术延长了标准FR-4材料的寿命,能支持更高的数据率。由于FR-4材料中的信号衰减,在以6.375Gbps的速率工作时,允许的迹线长度被限制在几英寸范围。而预加重和均衡功能可以将之延长到40多英寸。

某些高性能FPGA中集成有可编程预加重及均衡功能,如Stratix II GX器件,故其能采用FR-4材料,并放宽最大迹线长度等版图限制,降低电路板成本。预加重功能可有效提升信号的高频分量。Stratix II GX中的4抽头预加重电路能减小信号分量的散射(从一位扩散到另一位的空间)。预加重电路可提供最大500%的预加重,根据数据率、迹线长度和链路特性,每个抽头可被优化到最大16级。

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