最全面的7系列FPGA的DCI技術(shù)分析

DCI技術(shù)概述

隨著FPGA芯片越大而且系統(tǒng)時(shí)鐘越高，PCB板設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得越難，隨著速率的提高，板間的信號(hào)完整性變的非常關(guān)鍵，PCB板上若有關(guān)鍵信號(hào)，那么需要進(jìn)行阻抗匹配，從而避免信號(hào)的反射和震蕩。Xilinx公司提供DCI可以在芯片內(nèi)部進(jìn)行阻抗匹配，匹配電阻更加接進(jìn)芯片，可以減少元器件，節(jié)省PDB板面積，并且也更方便走線。

傳統(tǒng)的阻抗匹配是在PCB板上端接一個(gè)電阻。理想情況下，源端輸出阻抗認(rèn)為是很小的，而接受端的輸入阻抗認(rèn)為是很大，在實(shí)際電路中都可以不去考慮，只考慮PCB上的走線，從接收端看過去PCB特征阻抗應(yīng)該等于端接電阻，這樣電流從源端流向接收端才不會(huì)導(dǎo)致反射。

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阻抗匹配原理
阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對(duì)于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí)，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份只數(shù)值相等而符號(hào)相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。

在高速的設(shè)計(jì)中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。阻抗匹配的技術(shù)可以說是豐富多樣，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用，需要衡量多個(gè)方面的因素。例如我們?cè)谙到y(tǒng)中設(shè)計(jì)中，很多采用的都是源段的串連匹配。對(duì)于什么情況下需要匹配，采用什么方式的匹配，為什么采用這種方式。例如：差分的匹配多數(shù)采用并聯(lián)終端匹配；時(shí)鐘采用串聯(lián)源端匹配。

串聯(lián)源端匹配
串聯(lián)源端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號(hào)的源端和傳輸線之間串接一個(gè)電阻R，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，抑制從負(fù)載端反射回來的信號(hào)發(fā)生再次反射。

串聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：
1、由于串聯(lián)匹配電阻的作用，驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳播時(shí)以其幅度的50％向負(fù)載端傳播。
2、信號(hào)在負(fù)載端的反射系數(shù)接近＋1，因此反射信號(hào)的幅度接近原始信號(hào)幅度的50％。
3、反射信號(hào)與源端傳播的信號(hào)疊加，使負(fù)載端接受到的信號(hào)與原始信號(hào)的幅度近似相同。
4、負(fù)載端反射信號(hào)向源端傳播，到達(dá)源端后被匹配電阻吸收。
5、反射信號(hào)到達(dá)源端后，源端驅(qū)動(dòng)電流降為0，直到下一次信號(hào)傳輸。

相對(duì)串聯(lián)匹配來說，不要求信號(hào)驅(qū)動(dòng)器具有很大的電流驅(qū)動(dòng)能力。選擇串聯(lián)源端匹配電阻值的原則很簡(jiǎn)單，就是要求匹配電阻值與驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。理想的信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗為零，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器總是有比較小的輸出阻抗，而且在信號(hào)的電平發(fā)生變化時(shí)，輸出阻抗可能不同。比如電源電壓為＋4.5V的CMOS驅(qū)動(dòng)器，在低電平時(shí)典型的輸出阻抗為37Ω，在高電平時(shí)典型的輸出阻抗為45Ω[4]；TTL驅(qū)動(dòng)器和CMOS驅(qū)動(dòng)一樣，其輸出阻抗會(huì)隨信號(hào)的電平大小變化而變化。因此，對(duì)TTL或CMOS電路來說，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信號(hào)網(wǎng)路不適合使用串聯(lián)終端匹配，所有的負(fù)載必須接到傳輸線的末端?？梢钥闯?，有一段時(shí)間負(fù)載端信號(hào)幅度為原始信號(hào)幅度的一半。顯然這時(shí)候信號(hào)處在不定邏輯狀態(tài)，信號(hào)的噪聲容限很低。

串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。它的優(yōu)點(diǎn)是功耗小，不會(huì)給驅(qū)動(dòng)器帶來額外的直流負(fù)載，也不會(huì)在信號(hào)和地之間引入額外的阻抗；而且只需要一個(gè)電阻元件。

并聯(lián)終端匹配

并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗很小的情況下，通過增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。實(shí)現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。

并聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：
1、 驅(qū)動(dòng)信號(hào)近似以滿幅度沿傳輸線傳播；
2、 所有的反射都被匹配電阻吸收；
3、 負(fù)載端接受到的信號(hào)幅度與源端發(fā)送的信號(hào)幅度近似相同。

在實(shí)際的電路系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗很高，因此對(duì)單電阻形式來說，負(fù)載端的并聯(lián)電阻值必須與傳輸線的特征阻抗相近或相等。假定傳輸線的特征阻抗為50Ω，則 R值為50Ω。如果信號(hào)的高電平為5V，則信號(hào)的靜態(tài)電流將達(dá)到100mA。由于典型的TTL或CMOS電路的驅(qū)動(dòng)能力很小，這種單電阻的并聯(lián)匹配方式很少出現(xiàn)在這些電路中。

雙電阻形式的并聯(lián)匹配，也被稱作戴維南終端匹配，要求的電流驅(qū)動(dòng)能力比單電阻形式小。這是因?yàn)閮呻娮璧牟⒙?lián)值與傳輸線的特征阻抗相匹配，每個(gè)電阻都比傳輸線的特征阻抗大?？紤]到芯片的驅(qū)動(dòng)能力，兩個(gè)電阻值的選擇必須遵循三個(gè)原則：

⑴兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等；

⑵與電源連接的電阻值不能太小，以免信號(hào)為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過大；

⑶與地連接的電阻值不能太小，以免信號(hào)為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流過大。

傳統(tǒng)的終端匹配要求電阻盡量靠近芯片管腳，不但增加了PCB的布線的難度，而且還增加了元器件的數(shù)量。

DCI技術(shù)
根據(jù)I/O的電平標(biāo)準(zhǔn)，DCI技術(shù)可以控制驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗，也可以在驅(qū)動(dòng)器或者接收器上添加并行終端。目的都是精確的匹配傳輸線上的特征阻抗。DCI技術(shù)根據(jù)VRP和VRN上的高精度參考電阻計(jì)算I/O內(nèi)部的阻抗。并且可以持續(xù)補(bǔ)償因?yàn)闇囟群碗妷鹤兓鸬淖杩棺兓?/p>

對(duì)于阻抗控制驅(qū)動(dòng)器，DCI使阻抗匹配外部的兩個(gè)參考電阻，或者匹配這兩個(gè)參考電阻的一半。
對(duì)于并行終端，包括發(fā)送器和接收器，DCI技術(shù)讓終端電阻更加接近輸出驅(qū)動(dòng)器或者輸入buffer。 對(duì)于7系列FPGA，DCI技術(shù)只用在HP I/O bank,對(duì)HR I/O bank 并不適用。Xilinx DCI使用兩個(gè)復(fù)用管腳來調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的阻抗或者并聯(lián)終端電阻。這兩個(gè)管腳分別是VRN 和VRP。VRN必須通過一個(gè)參考電阻Rref上拉到VCCO，而VRP則必須通過一個(gè)參考電阻Rref下拉到地。這個(gè)Rref的阻值一般等于PCB走線的特征阻抗或者是這個(gè)阻抗的2倍。

要在設(shè)計(jì)中使用DCI技術(shù)，需要滿足以下條件：
? 該信號(hào)管腳是在HP I/O BANK,并且在約束中聲明該管腳的標(biāo)準(zhǔn)是帶有DCI的。
? 在VRN上接一個(gè)高精度的參考電阻上拉到Vcco。
? 在VRP上接一個(gè)高精度的參考電阻下拉到地。
? VRN和VRP都在同一個(gè)HP BANK，除非使用了DCI疊代，DCI迭代只需要HP master BANK的。

DCI計(jì)算可以通過DCIRESET原語進(jìn)行復(fù)位。通過發(fā)送RST高脈沖給DCIRESET，DCI開始計(jì)算阻抗值并且此時(shí)所有使用了DCI的I/O都不工作，直到LOCKED信號(hào)拉高為止。

阻抗控制驅(qū)動(dòng)器
對(duì)于阻抗控制驅(qū)動(dòng)器，DCI提供兩種阻抗匹配類型：
? 和參考電阻相等

? 等于參考電阻的一半

這種的話，R必須等于2Z0，電平標(biāo)準(zhǔn)要選擇DCI_DV2，如LVDCI_DV2_15、LVDCI_DV2_18的原語，使用這種方式主要是為了降低靜態(tài)功耗。

并聯(lián)終端(分立電阻)
對(duì)于并聯(lián)終端，DCI使用一種戴維南等效電路或者分立電阻，使用Vcco/2的電平。

其戴維南等效電路是如下圖：

適合于分立電阻的DCI電平標(biāo)準(zhǔn)如下表：

三態(tài)DCI
對(duì)于有些電平標(biāo)準(zhǔn)，如SSTL和HSTL的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)僅僅支持單向信號(hào)，而二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)既支持單向也支持雙向信號(hào)，當(dāng)分立終端在使用時(shí)，DCI只控制分立終端的阻抗而不是驅(qū)動(dòng)器的阻抗，所以對(duì)于雙向信號(hào)來說，當(dāng)它作為驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要關(guān)閉分立終端的應(yīng)用。XILINX提供了一個(gè)DCI-T的標(biāo)準(zhǔn)來滿足這一要求，只需要將相應(yīng)的電平標(biāo)準(zhǔn)改成這種帶有DCI-T的就行。三態(tài)DCI只適合于雙向信號(hào)。適用三態(tài)DCI的電平標(biāo)準(zhǔn)如下表：

DCI所有的電平標(biāo)準(zhǔn)如下表。