FPGA設(shè)計時需注意哪些問題

FPGA可能會由于太多的高速SSO而對系統(tǒng)中的信號(或其它FPGA信號)帶來嚴(yán)重破壞，因為這會導(dǎo)致稱為同時切換噪聲(SSN)的噪聲。SSN也叫做地反彈或VCC反彈，對于單端標(biāo)準(zhǔn)，SSN是在輸出由低到高時提供瞬態(tài)電流和由高到低時吸收瞬態(tài)電流的過程中，由多個輸出驅(qū)動器同時切換和導(dǎo)致器件電壓與系統(tǒng)電壓之間的變化而引起的。

在高到低的轉(zhuǎn)換引起地反彈時，由低到高轉(zhuǎn)換也會導(dǎo)致VCC下降。由于電容通常安放在VCC和接地層之間，因此SSN典型地存在于這兩個地方。由低到高轉(zhuǎn)變時地反彈也有可能出現(xiàn)。 于是，SSO變成了干擾信號，它會產(chǎn)生可能耦合到鄰近信號的噪聲。對于某個區(qū)域而言太多SSO可能會導(dǎo)致電源的擾動。由于以下2個原因，SSO已經(jīng)變成一個必須認(rèn)真對待的問題：1. 切換時間大幅下降；2. 過孔尺寸和走線寬度的減小加上更大的板厚度已經(jīng)推高了板極電感，這將大幅增加出現(xiàn)地反彈的可能性。更大的負(fù)載電容也可能導(dǎo)致SSN，雖然程度上會輕一點。當(dāng)有效VCC低于期望值，從而導(dǎo)致I/O緩存的轉(zhuǎn)換速度低于期望速度時，SSN也可能導(dǎo)致時序問題變得突出起來。

有幾個方法可以減小SSN。有些器件只需通過限制I/O標(biāo)準(zhǔn)的選擇就可簡化這個問題，但不是所有器件都能這么做。一些供應(yīng)商建議將高速總線輸出分布到整個裸片上，如果SSN是你唯一關(guān)注的問題，那么這絕對是一個很好的建議。不過，如果按照這個建議去做，有2個基本問題將會冒出來。

首先，這可能會帶來下游布通性問題，因為將信號散布到整個裸片上經(jīng)常會引起更多的走線交叉。而這就導(dǎo)致需要更多的信號布線層。其次，大多數(shù)設(shè)計在散布信號前也要求進(jìn)行仔細(xì)研究，因為當(dāng)一個總線散布到特定的塊或區(qū)外時會引起塊/區(qū)間的兼容性問題。因此，如果你能在考慮布通性的同時，小心地將一個較小的總線分布到一個或兩個塊/區(qū)域內(nèi)，那么系統(tǒng)將會工作得很好。

如果你被一個具有相鄰高速切換輸出的設(shè)計所困擾，有好幾種技術(shù)能幫助你解決潛在的SSN問題。首先對你的設(shè)計進(jìn)行合適的布局和去耦合。對于去耦合，使用距離盡可能近的電源和地平面對，中間用一個SMT電容隔開。使用SMT電容進(jìn)行去耦合也有助于減小電感，而電感是產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲的一個主要因素。

如果你仍然覺得需要使用去耦電容(為了減小SSN)，應(yīng)該使得這些電容的位置盡可能靠近高速輸出引腳。Altera的一項研究發(fā)現(xiàn)，如果這些電容到引腳的距離大于1英寸，在使用適當(dāng)?shù)腟MT電容去退耦時，這些電容變得效率極低。其他減小SSN或者其可能產(chǎn)生影響的建議包括：避免將敏感信號(復(fù)位、時鐘和使能等)位于SSO附近；可能時，使用較小偏移的輸出和使用最低電感的過孔；通過在合適位置插入延時使得輸出信號交替出現(xiàn)。即使已經(jīng)完成了PCB的生產(chǎn)，這個建議仍然可以應(yīng)用。

參考將被連接到FPGA上的器件的相關(guān)資料。對于每個器件，確定最大輸入低電壓門限(單位毫伏)。這是FPGA驅(qū)動該器件需要的最大電壓，所以該設(shè)備仍然可以檢測到一個有效邏輯低狀態(tài)(最大VIL值)。同樣，還要確定器件可以容忍且能繼續(xù)工作的最大輸入負(fù)脈沖信號(單位毫伏)。

在某些情況下，最大容許的地反彈可能不是或者不僅是以上給出的值。而是要通過獲得最大輸入低電壓門限的最小值、最大輸入負(fù)脈沖信號、或者所有器件的最大地反彈來確定最大的系統(tǒng)地反彈。

然后，根據(jù)具有相似負(fù)載特點的網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)目和種類對類似的FPGA總線進(jìn)行分組。接著研究每個部分、區(qū)域或者塊的電源和接地引腳數(shù)目，還有對于所使用的每個I/O標(biāo)準(zhǔn)，每個電源和接地管腳對所允許的SSO數(shù)目。這些數(shù)目可以用于計算每個組的總電容負(fù)載和每個輸出驅(qū)動的電容，以確定可以容忍的SSO最大值。

你也應(yīng)該咨詢供應(yīng)商以確定基于每個塊和每一對塊你是否超過了推薦的SSO數(shù)目，前提是供應(yīng)商已經(jīng)研究了這些問題。同時，因為有多個因素會導(dǎo)致SSN，所以最好建立一個具有內(nèi)置抗噪聲性能的魯棒系統(tǒng)。否則，就使用針對每個引腳限制I/O標(biāo)準(zhǔn)的器件，這樣就可以減少可能的SSN問題。

差分信

在FPGA設(shè)計中，你可能會發(fā)現(xiàn)對差分信號的處理存在最多的爭議。類似于SSN，最好從供應(yīng)商、書籍和用戶群獲得盡可能多的信息。同時，在確定某個方案前咨詢你的布局部門以了解他們推薦的建議和信息。

主要爭論開始于差分信號對是否應(yīng)該采用寬邊耦合還是邊緣耦合，以及每對之間到底應(yīng)該存在多少耦合。答案通常是“根據(jù)具體情況確定”，所以需要進(jìn)行具體研究。

如果你不能確定對于一個單端信號為什么需要選擇差分I/O標(biāo)準(zhǔn)，答案很簡單。使用差分信號，你幾乎可以完全控制信號的回路。因為這是信號對的一部分，而且理論上在任何一個接地(或者電源)平面上不應(yīng)該出現(xiàn)來自信號對的電流。

這里假設(shè)走線對具有相等長度，布設(shè)在相鄰區(qū)域且間距不變，走線阻抗恒定且匹配。此外，利用單端信號，你很難控制信號回程，而且測試一個信號的返回也可能徒勞無益。

差分信號的主要缺點是他們需要兩根走線彼此臨近。當(dāng)在一個PCB上分配幾百個差分信號時這可能是個難點。