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電路板設(shè)計(jì)中，為了盡量減少串?dāng)_，微帶線和帶狀線的布線可以遵循幾種指導(dǎo)原則。對于雙帶線版圖，布線是在兩層內(nèi)板上進(jìn)行，兩面都有一個(gè)電壓參考面，這時(shí)最好所有鄰近層板的導(dǎo)線都采用正交布線技術(shù)，盡量增大兩個(gè)信號層之間的介質(zhì)材料厚度，并最小化每個(gè)信號層與其鄰近參考平面間的距離，同時(shí)保持所需要的阻抗。 微帶線或帶狀線布線指導(dǎo)原則 線跡間距至少三倍于電路板布線層間介質(zhì)層的厚度；最好使用仿真工具預(yù)先模擬其行為。 對臨界高速網(wǎng)絡(luò)用差分代替單端拓?fù)洌园压材Ｔ肼暤挠绊憸p至最小。在設(shè)計(jì)限度內(nèi)，盡量匹配差分信號路徑的正負(fù)引腳。 減小單端信號的耦合效應(yīng)，留有適當(dāng)間隔(大于三倍的線跡寬度)，或者是在不同板層上布線(鄰近層布線彼此正交)。此外，使用仿真工具也是滿足間距要求的一個(gè)好辦法。 把信號端接信號間的并行長度減至最短。 同時(shí)轉(zhuǎn)換噪聲 時(shí)鐘和I/O數(shù)據(jù)速率提高時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換次數(shù)相應(yīng)減少，信號路徑放電充電期間的瞬態(tài)電流隨之增大。這些電流可能造成板級接地彈跳現(xiàn)象，即接地電壓/Vcc瞬間上升/下降。非理想電源的大瞬態(tài)電流會導(dǎo)致Vcc的瞬間下降(Vcc下降或凹陷)。下面給出了幾條很好的板設(shè)計(jì)規(guī)則，有助于減少這些同時(shí)轉(zhuǎn)換噪聲的影響。 圖為可用I/O被完全利用時(shí)推薦的信號、電源和接地層數(shù)目。 把不用的I/O引腳配置為輸出引腳，并低電壓驅(qū)動(dòng)，以減小接地彈跳。 盡量減少同時(shí)轉(zhuǎn)換輸出引腳的數(shù)目，并使它們在整個(gè)FPGA I/O部分均勻分配。 不需要高邊緣速率時(shí)，F(xiàn)PGA輸出端選用低壓擺率。 把Vcc安插到多層板的接地平面之間，以消除高速線跡對各層的影響。 把全部板層都用于Vcc和接地可使這些平面的電阻和電感最小，從而提供一個(gè)電容和噪聲更低的低電感源，并在鄰近這些平面的信號層上返回邏輯信號。 預(yù)加重、均衡 最先進(jìn)的FPGA所具有的高速收發(fā)器能力，讓它們成為高效的可編程系統(tǒng)級芯片元件，同時(shí)也為電路板設(shè)計(jì)人員帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。一個(gè)關(guān)鍵問題，尤其與版圖有關(guān)的，是與頻率相關(guān)的傳輸損耗，主要由趨膚效應(yīng)和介電損耗引起。當(dāng)高頻信號在導(dǎo)體表面(比如PCB跡線)傳輸時(shí)，由于導(dǎo)線的自感，就會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)。這種效應(yīng)減小了導(dǎo)線的有效傳導(dǎo)面積，削弱了信號的高頻分量。介電損耗是由板層之間介質(zhì)材料的電容效應(yīng)所造成的。趨膚效應(yīng)與頻率的平方根成比例，而介電損耗與頻率成比例；因此，介電損耗是高頻信號衰減的主要損耗機(jī)制。 數(shù)據(jù)速率越高，趨膚效應(yīng)和介電損耗就越嚴(yán)重。對1Gbps的系統(tǒng)，鏈路上信號電平的降低尚可接受，但在6Gbps的系統(tǒng)上就不能接受了。不過，現(xiàn)在的收發(fā)器具有發(fā)射器預(yù)加重(pre-emphasis)和接收器均衡(equalization)功能，可以補(bǔ)償高頻信道的失真。它們還可增強(qiáng)信號完整性，放寬線跡長度的限制。這些信號調(diào)節(jié)技術(shù)延長了標(biāo)準(zhǔn)FR-4材料的壽命，能支持更高的數(shù)據(jù)率。由于FR-4材料中的信號衰減，在以6.375Gbps的速率工作時(shí)，允許的跡線長度被限制在幾英寸范圍。而預(yù)加重和均衡功能可以將之延長到40多英寸。 某些高性能FPGA中集成有可編程預(yù)加重及均衡功能，如Stratix II GX器件，故其能采用FR-4材料，并放寬最大跡線長度等版圖限制，降低電路板成本。預(yù)加重功能可有效提升信號的高頻分量。Stratix II GX中的4抽頭預(yù)加重電路能減小信號分量的散射(從一位擴(kuò)散到另一位的空間)。預(yù)加重電路可提供最大500%的預(yù)加重，根據(jù)數(shù)據(jù)率、跡線長度和鏈路特性，每個(gè)抽頭可被優(yōu)化到最大16級。 Stratix II GX接收器包含一個(gè)增益級和線性均衡器，可補(bǔ)償信號衰減。除了輸入增益級之外，該器件還讓電路板設(shè)計(jì)人員擁有最大17dB的均衡水平，可利用16個(gè)均衡器級中的任意一級來克服板損耗的問題。均衡和預(yù)加重功能可用于音樂會環(huán)境或用于單獨(dú)優(yōu)化特定鏈路。 在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，或者是在其插入到背板或其它底盤之后進(jìn)行卡配置時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以改變Stratix II GX FPGA中的預(yù)加重和均衡級。這就給予了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員自動(dòng)把預(yù)加重和均衡級設(shè)置為預(yù)定值的靈活性。另外，根據(jù)板子被插入到底盤或背板上的哪一個(gè)插槽，也可以動(dòng)態(tài)確定這些值。 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(shí)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(shè)計(jì)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(dāng)參考接地平面發(fā)送信號，也有助于減少EMI。最后，采用當(dāng)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(fù)雜的高速PCB設(shè)計(jì)已越來越困難，因?yàn)槟承﹤鹘y(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(shè)計(jì)。這種新型的高速設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員應(yīng)該使用相同的指導(dǎo)方針來設(shè)置JTAG測試時(shí)鐘輸入(TCK)信號作為系統(tǒng)時(shí)鐘。此外，把一個(gè)器件的測試數(shù)據(jù)輸出和另一個(gè)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(dāng)重要的。 要利用嵌入式高速FPGA進(jìn)行成功的設(shè)計(jì)，需要充沛的高速板設(shè)計(jì)實(shí)踐，以及對FPGA功能的充分了解，如引腳安排、電路板材料和堆疊、電路板布局，以及終端模式等的了解。內(nèi)建收發(fā)器的預(yù)加重 (pre-emphasis)和均衡功能的合理使用也很重要。上述幾點(diǎn)結(jié)合起來就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有穩(wěn)定的可制造性的可靠設(shè)計(jì)。所有這些因素的仔細(xì)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(xiàng)目的壓力。 |
