基于FPGA的高速PCB的設計 - 全文

隨著現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)已發(fā)展成為真正的可編程系統(tǒng)級芯片，利用這些芯片設計印制電路板(PCB)的任務變得愈加復雜。要完全實現(xiàn)FPGA 的功能，需要對PCB 板進行精心設計。

采用高速FPGA 進行設計時，在板開發(fā)之前和開發(fā)期間對若干設計問題進行考慮是十分重要的。由于I/O 的信號的快速切換會導致噪聲產(chǎn)生、信號反射、串擾、EMI 問題，所以設計時必須注意：

（一）電源過濾和分布
所有電路板和器件上干凈、平臺分布電源Vcc 可以減少系統(tǒng)噪聲。

濾除由供電源處產(chǎn)生的低頻（<1kHz）噪聲，建議就近供電源入口處放置100uF 的電解電容；若使用電壓調(diào)整器，直接放置電容到最終給器件供電的Vcc 處。電容不經(jīng)濾除供電源產(chǎn)生的低頻噪聲，而且也能為許多輸出切換同時發(fā)生時提供額外的電流。

另一種濾除供電源噪聲的方法是串入一個鐵氧體磁珠，并就近磁珠放置一個10uf～100uF 的旁路電容。一個合理的終端、布局、濾波的設計不需要磁珠，使用一個0 歐姆的電阻取代即可。

為了濾除器件中的高頻噪聲，建議就近Vcc 和GND 放置退耦電容。

電源分布也會影響系統(tǒng)噪聲?？偩€分布的電源和電源面（獨立電源層）都會散布電源到PCB 中。通常兩層板的電源采用總線分布式，PCB 的密度限制了走線寬度，電源總線有DC 阻抗，總線上最后的元件接收到Vcc 可能會被削減了最多0.5V。因此，建議使用獨立的電源層傳播電源，可以有效降低DC阻抗。

關(guān)于模擬電源和數(shù)字電源，如果無法做到使用獨立的層，那么應該進行電源平面的切割。圖2 就是PLL 電源供電隔離的例子。

減少電源分布產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲：
1.為平坦式電源分布使用獨立的模擬電源供電；
2.PLL 電源供電避免走線和多信號層；
3.靠近PLL 電源供電面仿真一個地層面；
4.只能把模擬和數(shù)字元件放置在它們相應的地平面上；
5.使用磁珠隔離PLL 供電源和數(shù)字供電源。

（二）傳輸線和信號走線
快速切換導致噪聲產(chǎn)生、信號反射、串擾、地反彈的不同程度，取決于PCB 原材料結(jié)構(gòu)特性。PCB 板的介電常數(shù)Er，
決定了信號在板上的傳輸速率，下面的公式即介電常數(shù)和信號傳播速率的關(guān)系（C=光速=3×(10 的8 次方)m/s）：
Vp= C/(Er 開根號)
計算信號在PCB 板上的傳播延時Tpd=l/Vp 。
一條信號走線是采樣集總線還是分布線取決于信號切換時間（Tr）是否大于4 被的Tpd 。
集總線：Tr > 4 × Tpd
分布線：Tr < 4 × Tpd

微波傳輸線和帶狀傳輸線的走線如下：

（三）時鐘信號布線
推薦以下的時鐘布線技巧：
1.避免過多的繞轉(zhuǎn)，時鐘走線應該盡可能的走直線；
2.盡量讓時鐘信號只走一個信號層；
3.時鐘信號傳輸中避免打過孔，因為過孔會導致阻抗變化和反射；
4.以微波傳輸線方式走時鐘信號線（頂層更合適）；
5.靠近外層布地面以最小化噪聲干擾，如果你使用內(nèi)層走時鐘信號，使用地平面夾著一減少延時；
6.合適的終結(jié)時鐘信號線。

（四）差分信號走線
推薦以下的差分信號走線技巧：
1.保證圖中的D > 2S 以最小化串擾；
2.在信號離開器件后，盡可能的靠近兩條差分信號對，最小化信號反射；
3.在兩條差分信號對的整個走線過程中保持恒定的距離；
4.保持兩條差分信號對的走線長度一致，最小化偏斜和相位差異；
5.避免使用過孔，最小化匹配阻抗和感應系數(shù)。

（五）阻抗匹配和終端設計
為了消除信號反射，源阻抗Zs 必須等于走線阻抗Zo，也必須等于負載阻抗ZL。負載阻抗通常會高于走線阻抗，走線阻抗高于源阻抗。為了消除信號反射，串入或者并入一些電阻達到ZL 或Zs 與Zo 相匹配。

并行方式很多，下面介紹常用的串行匹配方式。串行匹配電阻主要是為了削弱次級反射。經(jīng)驗值推薦為33 歐姆。例如我們常在時鐘信號的走線上串入一個33 歐姆的電阻。

（六）串擾
串擾是指并行走線之間有害的耦合。兩種類型的串擾：前向（電容性的）和后向（感應性的）。前向串擾主要是由于兩個長的并行信號之間的相互電容導致，其中一個信號跳變時會影響另一個信號線。后向串擾常發(fā)生在磁性區(qū)域，其中
一個信號對另一個信號的影響。

下圖是并行走線的長度與串擾程度的關(guān)系。

為了有效減低并行走線間的串擾，必須保證兩個并行走線的信號的中心距離大于4 倍的走線寬度，如下圖。

此外，如果它們之間的走線距離無法得到保證，那么拉近地面與并行走線信號間的距離也可以有效削弱串擾的影響。下面是不同的地平面與信號間的距離對信號串擾的影響程度。

（七）EMI 問題和調(diào)試
印制電路板引起的電磁干擾與電流或電壓隨時間的變化，以及電路的串聯(lián)電感直接成比例。高效的電路板設計有可能把EMI 最小化，但不一定完全消除。消除“入侵者”或“熱”信號，以及適當參考接地平面發(fā)送信號，也有助于減少EMI。最后，采用當今市場很常見的表面貼裝元件也是減少EMI 的一種方法。

調(diào)試和測試復雜的高速PCB 設計已越來越困難，因為某些傳統(tǒng)的板調(diào)試方法， 比如測試探針和“ 針床式(Bed-of-nails)”測試儀，可能不適用于這些設計。這種新型的高速設計可以利用具有系統(tǒng)內(nèi)編程功能的JTAG 測試工具和FPGA 可能帶有的內(nèi)建自測試功能。設計人員應該使用相同的指導方針來設置JTAG 測試時鐘輸入(TCK)信號作為系統(tǒng)時鐘。此外，把一個器件的測試數(shù)據(jù)輸出和另一個器件的測試數(shù)據(jù)輸入之間的JTAG 掃描鏈線跡長度減至最短也是相當重要的。

上述幾點結(jié)合起來就可以實現(xiàn)一個具有穩(wěn)定的可制造性的可靠設計。所有這些因素的仔細考量，加上正確的仿真和分析，就可以把電路板原型中發(fā)生意外的可能性降至最小，并將有助于減輕電路板開發(fā)項目的壓力。