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爱彼电路讲解高速FPGA的PCB预设技术
2021-07-06
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假如高速PCB预设能够像连署原理图节点那样子简单,以及像在计算机显露器上所看见的那样子优美的话,那将是一件多么美事。不过,错非预设师初入PCB预设,还是是极端的幸运,实际的PCB预设一般不像它们所投身的电路预设那样子轻松。在预设最后能够正常办公、有人对性能作出肯定之前,PCB预设师都面对着很多新的挑战。这正是到现在为止高速PCB预设的目前的状况--预设规则和预设指南不断进展,假如幸运的话,他们会形成一个成功的解决方案。

高速PCB

绝大部分数PCB是洞晓PCB部件的办公原理和互相影响以及构成电路板输入和输出的各种数值传道输送标准的原理图预设师与有可能晓得一点儿甚至于有可能一点儿也不晓得将小小的原理图串线改换成印刷电路铜线后将会发生之类专业版图预设师互相合作的成果。一般,对最后电路板的胜败负责的是原理图预设师。不过,原理图预设师对优秀的版图技术知道越多,防止显露出来重大问题的机缘就越多。

假如预设中包括高疏密程度的FPGA,很有可能会有很多挑战安摆放置在专心预设的原理图面前。涵盖数以百计的输入和输出口数目,超过500MHz(某些预设中有可能更高)的办公频率,以及小至半毫米的焊球间距等,这些个都将造成预设单元之间萌生不应有的互相影响。

并发开关噪声

第1个挑战很有可能就是所说的的并发开关噪声(SSN)或并发开关输出(SSO)。数量多的高频数值流将在数值线上萌生振铃和串扰什么的的问题,而电源和地最简单的面上也会显露出来影响整个儿电路板性能的地线反弹和电源噪声问题。

为理解决高速数值线上的振铃和串扰,改用差分信号是美好的第1步。因为差分对上的一条线是借鉴(Sink)端,另一条供给源电流,因为这个能除根感应影响。利用差分对传道输送数值时,因为电流维持在部分,因为这个有助于减小回返途径中的感应电小产生的“反弹”噪声。对于高达数百MHz甚至于数GHz的射频,信号理论表明,在阻抗般配时可以传递最大信号功率。而传道输送线般配非常不好时,将会萌生反射,只有一小批信号从发端传道输送到收缴设施,而其它局部将在送出端和收缴端之间往返反弹。在PCB上差分信号成功实现的好坏将对阻抗般配(以及其它方面)起非常大的效用。

差分走线预设

差分走线预设树立在阻抗受控的PCB原理上。其板型有些像同轴电缆。在阻抗受控的PCB上,金属最简单的面层可以当作屏蔽层,绝缘体是FR4层压板,而导体则是信号走线对(见图1)。FR4的均匀介电常数在4.2到4.5之间。因为不晓得制作误差,可能造成对铜线的过度腐刻,最后导致阻抗误差。计算PCB走线阻抗的最非常准确办法是利用途解析手续(一般是二维,有时用三维),它需求利用有限元对整个儿PCB批量直接解麦克斯韦方程。该软件可以依据走线间距、线宽、线厚以及绝缘层的高度来剖析EMI效应。
100Ω特点标志阻抗已经变成差分连署线的行业标准值。100Ω的差分线可以用两根等长的50Ω单端线制造。因为两根走线你我接近,线间的场耦合将减小线的差模阻抗。为了维持100Ω的阻抗,走线的宽度务必减小一点儿。最后结果,100Ω差分线对中每根线的共模阻抗将比50欧略为高一点儿。
理论上走线的尺寸和所用的材料表决了阻抗,但过孔、连署器乃至于部件焊盘都将在信号途径中引入阻抗不蝉联性。无须这些个物品一般是没可能的。有时,为了更合理的布局和布线,就需求增加PCB的层数,还是增加像埋孔这类功能。埋孔只连署PCB的局部层,不过在解决传道输送线问题的同时,也增加了扳手的制造成本。但有时根本没有挑选。随着信号速度越来越快,空间越来越小,像对埋孔这类的另外需要着手增加,这些个都应变成PCB解决方案的成本要素。
如图2所示的横剖面是实际差分线版图的最常见图案。在认为合适而使用带状线布线时,信号被FR-4材料夹在半中腰。而微带线时,一条导体是显露在空气中的。由于空气的介电常数最低(Er=1),故顶层最适应布设一点关键信号,如报时的钟信号还是高频的SERial-DESerial(SERDES)信号。微带线布线应当耦合到下方的地最简单的面,该地最简单的面经过借鉴局部电磁力场线来减小电磁干扰(EMI)。在带状线中,全部的电磁力场线耦合到上方和下方的参照最简单的面,这大大减低了EMI。假如有可能的话,应当尽力不要用宽边耦合带状线预设。这种结构容易遭受参照面中耦合的差分噪声的影响。额外还需求PCB的平衡制作,这是很难扼制的。总的来说,扼制位于同一层上的线间距仍然比较容易的。
去耦和旁路容电器
另一个确认PCB的实际性能是否合乎预先期待的关紧方面需求经过增加去耦和旁路电容施行扼制。增加去耦容电器有助于减小PCB的电源与地最简单的面之间的电感,并有助于扼制PCB上到处的信号和IC的阻抗。旁路电容有助于为FPGA供给一个整洁的电源(供给一个电荷库)。传统规则是在便捷PCB布线的不论什么地方都应安置去耦电容,况且FPGA电源引脚的数目表决了去耦电容的数目。不过,FPGA的超高开关速度彻底突破了这种陈规。

FPGA板

在典型的FPGA板预设中,最接近电源的电容为负载的电流变动供给频率偿还。为了供给低频滤波并避免电源电压减退,要运用大的去耦电容。电压减退是因为预设电路开始工作时稳压器的响应有所落后。这种大电容一般是低频响应较好的电解电容,其频率响应范围从直流到几百kHz。

每个FPGA输出变动都要求对信号线充电和放电,这需求能+羭縷。旁路电容的功能是在宽频率范围内供给部分能+羭縷储存。额外,还需求串连电感细小的小电容来为高频瞬变供给高速电流。而反响慢的大电容在高频容电器能+羭縷耗费掉往后接着供给电流。

电源总线上数量多的电流瞬变增加了FPGA预设的复杂性。这种电流瞬变一般与SSO/SSN相关。插进去电感十分小的容电器将供给部分高频能+羭縷,可用来消弭电源总线上的开关电流噪声。这种避免高频电流进入了部件电源的去耦电容务必十分接近FPGA(小于1cm)。有特殊情况将很多小电容并联到一块儿作为部件的部分能+羭縷储存,并迅速响应电流的变动需要。

总的来说,去耦电容的布线应当完全的短,涵盖过孔中的铅直距离。即使是增加一点儿点也会增加导线的电感,因此减低去耦的效果。
其它技术

随着信号速度的增长,要在电路板上轻松地传道输送数值变得一天比一天艰难。可以利用其它一点技术来进一步提高PCB的性能。
首先也是最表面化的办法就是简单的部件布局。为最关键的连署预设最短和最直接的途径已经是常识了,但不要过低估计了这一点儿。既是最简单的策略可以获得最好的效果,不必还要费劲去调试板上的信号呢?

几乎一样简单扼要的办法是要思索问题信号线的宽度。当数值率高达622MHz甚至于更高时,信号传导的趋肤效应变受益发冒尖。当距离较长时,PCB上很细的走线(譬如4个或5个mil)将对信号形成非常大的衰减,就像一个没有预设好的具备衰减的低通滤波器同样,其衰减随频率增加而增加。背板越长,频率越高,信号线的宽度应越宽。对于长度大于20英寸的背板走线,线宽应当达到10或12mil。
一般,扳手上最关键的信号是报时的钟信号。当报时的钟线预设得太长或非常不好的话,便会为下游放大抖动和偏移,特别是速度增加的时刻。应当防止运用多个层来传道输送报时的钟,况且不要在报时的钟线上有过孔,由于过孔将增加阻抗变动和反射。假如务必用内层来布设报时的钟,那末上下层应当运用地最简单的面来减小延缓。当预设认为合适而使用FPGAPLL时,电源最简单的面上的噪声会增加PLL抖动。假如这一点儿很关键,可以为PLL开创一个“电源岛”,这种岛可以利用金属最简单的面中的较厚腐刻来成功实现PLL摹拟电源和数码电源的隔离。
对于效率超过2Gbps的信号,务必思索问题成本更高的解决方案。在这样高的频率下,背板厚度和过孔预设对信号的完整性影响非常大。背板厚度不超过0.200英寸时效果较好。当PCB上为高速信号时,层数应尽有可能少,这么可以限止过孔的数目。在厚板中,连署信号层的过孔较长,将形成信号途径上的传道输送线分支。认为合适而使用埋孔可以解决该问题,但制导致本颀长。另一种挑选是选用低消耗损失的介电材料,例如Rogers4350,GETEK或ARLON。这些个材料与FR4材料相形其成本有可能靠近翻倍,但有时候这是惟一的挑选。

还有其它一点用于FPGA的预设技术,他们可以供给I/O位置的一点挑选。在关键的高速SERDES预设中,可以经过保存(但无须)相邻的I/O引脚来隔离SERDESI/O。例如,相对于SERDESRx和Tx,VCCRX#和VCCTX#以及球位置,可以保存3x3或5x5BGA球地区范围。还是假如有可能的话,可以保存接近SERDES的整个儿I/O组。假如预设中没有I/O限止,这些个技术能够带来益处,并且不会增加成本。

最终,也是最好的办法之一是参照FPGA制作商供给的参照板。绝大多制作商人团体供给参照板的源版图信息,固然因为私人所有信息问题有可能需求特不要提出请求。这些个电路板一般里面含有标准的高速I/O接口,由于FPGA制作商在表征和证明它们的部件时需求用到这些个接口。然而要记取,这些个电路板一般是为多种用场预设的,不看出来与特别指定的预设需要刚好般配。固然这么,他们仍可以作为开创解决方案的起点。

本文小结

当然,本文只谈及了一点基本的概念。这处所牵涉到的不论什么一个正题都可以用整本书的篇幅来商议。关键是要在为PCB版图预设投入数量多时间和精神力之前搞明白目的是啥子。一朝完成了版图预设,从新预设便会浪费数量多的时间和货币,即使是对走线的宽度作些微的调试。不可以倚赖PCB版图工程师做出能够满意实际需要的预设来。原理图预设师要一直供给引导,作出精明的挑选,并为解决方案的成功负起责任。

文章来自(www.ipcb.cn)爱彼电路是专业高精密PCB电路板研发生产厂家,可批量生产4-46层pcb板,电路板,线路板,高频板,高速板,HDI板,pcb线路板,高频高速板,IC封装载板,半导体测试板,多层线路板,hdi电路板,混压电路板,高频电路板,软硬结合板等

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