電路板設計中,為了盡量減少串擾,微帶線和帶狀線的布線可以遵循幾種指導原則。對于雙帶線版圖,布線是在兩層內板上進行,兩面都有一個電壓參考面,這時最好所有鄰近層板的導線都采用正交布線技術,盡量增大兩個信號層之間的介質材料厚度,并最小化每個信號層與其鄰近參考平面間的距離,同時保持所需要的阻抗。
微帶線或帶狀線布線指導原則
線跡間距至少三倍于電路板布線層間介質層的厚度;最好使用仿真工具預先模擬其行為。
對臨界高速網絡用差分代替單端拓撲,以把共模噪聲的影響減至最小。在設計限度內,盡量匹配差分信號路徑的正負引腳。
減小單端信號的耦合效應,留有適當間隔(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好辦法。
把信號端接信號間的并行長度減至最短。
同時轉換噪聲
時鐘和I/O數據速率提高時,輸出轉換次數相應減少,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計規(guī)則,有助于減少這些同時轉換噪聲的影響。
圖為可用I/O被完全利用時推薦的信號、電源和接地層數目。
把不用的I/O引腳配置為輸出引腳,并低電壓驅動,以減小接地彈跳。
盡量減少同時轉換輸出引腳的數目,并使它們在整個FPGA I/O部分均勻分配。
不需要高邊緣速率時,FPGA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。
預加重、均衡
最先進的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,同時也為電路板設計人員帶來了獨特的挑戰(zhàn)。一個關鍵問題,尤其與版圖有關的,是與頻率相關的傳輸損耗,主要由趨膚效應和介電損耗引起。當高頻信號在導體表面(比如PCB跡線)傳輸時,由于導線的自感,就會產生趨膚效應。這種效應減小了導線的有效傳導面積,削弱了信號的高頻分量。介電損耗是由板層之間介質材料的電容效應所造成的。趨膚效應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制。
數據速率越高,趨膚效應和介電損耗就越嚴重。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,現在的收發(fā)器具有發(fā)射器預加重(pre-emphasis)和接收器均衡(equalization)功能,可以補償高頻信道的失真。它們還可增強信號完整性,放寬線跡長度的限制。這些信號調節(jié)技術延長了標準FR-4材料的壽命,能支持更高的數據率。由于FR-4材料中的信號衰減,在以6.375Gbps的速率工作時,允許的跡線長度被限制在幾英寸范圍。而預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抽頭預加重電路能減小信號分量的散射(從一位擴散到另一位的空間)。預加重電路可提供最大500%的預加重,根據數據率、跡線長度和鏈路特性,每個抽頭可被優(yōu)化到最大16級。