高速FPGA的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)

如果高速PCB設(shè)計(jì)能夠像連接原理圖節(jié)點(diǎn)那樣簡(jiǎn)單，以及像在計(jì)算機(jī)顯示器上所看到的那樣優(yōu)美的話(huà)，那將是一件多么美好的事情。然而，除非設(shè)計(jì)師初入PCB設(shè)計(jì)，或者是極度的幸運(yùn)，實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)通常不像他們所從事的電路設(shè)計(jì)那樣輕松。在設(shè)計(jì)最終能夠正常工作、有人對(duì)性能作出肯定之前，PCB設(shè)計(jì)師都面臨著許多新的挑戰(zhàn)。這正是目前高速PCB設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀--設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)指南不斷發(fā)展，如果幸運(yùn)的話(huà)，它們會(huì)形成一個(gè)成功的解決方案。
絕大多數(shù)PCB是精通PCB器件的工作原理和相互影響以及構(gòu)成電路板輸入和輸出的各種數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的原理圖設(shè)計(jì)師與可能知道一點(diǎn)甚至可能一點(diǎn)也不知道將小小的原理圖連線(xiàn)轉(zhuǎn)換成印刷電路銅線(xiàn)后將會(huì)發(fā)生什么的專(zhuān)業(yè)版圖設(shè)計(jì)師相互合作的成果。通常，對(duì)最終電路板的成敗負(fù)責(zé)的是原理圖設(shè)計(jì)師。但是，原理圖設(shè)計(jì)師對(duì)優(yōu)秀的版圖技術(shù)懂得越多，避免出現(xiàn)重大問(wèn)題的機(jī)會(huì)就越多。

如果設(shè)計(jì)中含有高密度的FPGA，很可能會(huì)有許多挑戰(zhàn)擺放在精心設(shè)計(jì)的原理圖前面。包括數(shù)以百計(jì)的輸入和輸出口數(shù)量，超過(guò)500MHz(某些設(shè)計(jì)中可能更高)的工作頻率，以及小至半毫米的焊球間距等，這些都將導(dǎo)致設(shè)計(jì)單元之間產(chǎn)生不應(yīng)有的相互影響。

并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲

第一個(gè)挑戰(zhàn)很可能就是所謂的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲(SSN)或并發(fā)開(kāi)關(guān)輸出(SSO)。大量的高頻數(shù)據(jù)流將在數(shù)據(jù)線(xiàn)上產(chǎn)生振鈴和串?dāng)_之類(lèi)的問(wèn)題，而電源和地平面上也會(huì)出現(xiàn)影響整個(gè)電路板性能的地線(xiàn)反彈和電源噪聲問(wèn)題。

為了解決高速數(shù)據(jù)線(xiàn)上的振鈴和串?dāng)_，改用差分信號(hào)是很好的第一步。由于差分對(duì)上的一條線(xiàn)是吸收(Sink)端，另一條提供源電流，因此能從根本上消除感應(yīng)影響。利用差分對(duì)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，由于電流保持在局部，因此有助于減小返回路徑中的感應(yīng)電流產(chǎn)生的“反彈”噪聲。對(duì)于高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz甚至數(shù)GHz的射頻，信號(hào)理論表明，在阻抗匹配時(shí)可以傳送最大信號(hào)功率。而傳輸線(xiàn)匹配不好時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生反射，只有一部分信號(hào)從發(fā)端傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備，而其他部分將在發(fā)送端和接收端之間來(lái)回反彈。在PCB上差分信號(hào)實(shí)現(xiàn)的好壞將對(duì)阻抗匹配(以及其他方面)起很大的作用。

差分走線(xiàn)設(shè)計(jì)

差分走線(xiàn)設(shè)計(jì)建立在阻抗受控的PCB原理上。其模型有點(diǎn)像同軸電纜。在阻抗受控的PCB上，金屬平面層可以當(dāng)作屏蔽層，絕緣體是FR4層壓板，而導(dǎo)體則是信號(hào)走線(xiàn)對(duì)(見(jiàn)圖1)。FR4的平均介電常數(shù)在4.2到4.5之間。由于不知道制造誤差，有可能導(dǎo)致對(duì)銅線(xiàn)的過(guò)度蝕刻，最終造成阻抗誤差。計(jì)算PCB走線(xiàn)阻抗的最精確方法是利用場(chǎng)解析程序(通常是二維，有時(shí)候用三維)，它需要利用有限元對(duì)整個(gè)PCB批量直接解麥克斯韋方程。該軟件可以根據(jù)走線(xiàn)間距、線(xiàn)寬、線(xiàn)厚以及絕緣層的高度來(lái)分析EMI效應(yīng)。


圖1：同軸電纜和PCB的比較。


100Ω特征阻抗已經(jīng)成為差分連接線(xiàn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值。100Ω的差分線(xiàn)可以用兩根等長(zhǎng)的50Ω單端線(xiàn)制作。由于兩根走線(xiàn)彼此靠近，線(xiàn)間的場(chǎng)耦合將減小線(xiàn)的差模阻抗。為了保持100Ω的阻抗，走線(xiàn)的寬度必須減小一點(diǎn)。結(jié)果，100Ω差分線(xiàn)對(duì)中每根線(xiàn)的共模阻抗將比50歐略為高一點(diǎn)。
理論上走線(xiàn)的尺寸和所用的材料決定了阻抗，但過(guò)孔、連接器乃至器件焊盤(pán)都將在信號(hào)路徑中引入阻抗不連續(xù)性。不用這些東西通常是不可能的。有時(shí)候，為了更合理的布局和布線(xiàn)，就需要增加PCB的層數(shù)，或者增加像埋孔這類(lèi)功能。埋孔只連接PCB的部分層，但是在解決傳輸線(xiàn)問(wèn)題的同時(shí)，也增加了板子的制作成本。但有時(shí)候根本沒(méi)有選擇。隨著信號(hào)速度越來(lái)越快，空間越來(lái)越小，像對(duì)埋孔這類(lèi)的額外需求開(kāi)始增加，這些都應(yīng)成為PCB解決方案的成本要素。


圖2：差分線(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)例。
如圖2所示的橫截面是實(shí)際差分線(xiàn)版圖的最常見(jiàn)圖案。在采用帶狀線(xiàn)布線(xiàn)時(shí)，信號(hào)被FR-4材料夾在中間。而微帶線(xiàn)時(shí)，一條導(dǎo)體是裸露在空氣中的。因?yàn)榭諝獾慕殡姵?shù)最低(Er=1)，故頂層最適合布設(shè)一些關(guān)鍵信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)或者高頻的SERial-DESerial(SERDES)信號(hào)。微帶線(xiàn)布線(xiàn)應(yīng)該耦合到下方的地平面，該地平面通過(guò)吸收部分電磁場(chǎng)線(xiàn)來(lái)減小電磁干擾(EMI)。在帶狀線(xiàn)中，所有的電磁場(chǎng)線(xiàn)耦合到上方和下方的參考平面，這大大降低了EMI。如果可能的話(huà)，應(yīng)該盡量不要用寬邊耦合帶狀線(xiàn)設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)容易受到參考面中耦合的差分噪聲的影響。另外還需要PCB的均衡制造，這是很難控制的。總的來(lái)說(shuō)，控制位于同一層上的線(xiàn)間距還是比較容易的。
去耦和旁路電容器
另一個(gè)確定PCB的實(shí)際性能是否符合預(yù)期的重要方面需要通過(guò)增加去耦和旁路電容進(jìn)行控制。增加去耦電容器有助于減小PCB的電源與地平面之間的電感，并有助于控制PCB上各處的信號(hào)和IC的阻抗。旁路電容有助于為FPGA提供一個(gè)干凈的電源(提供一個(gè)電荷庫(kù))。傳統(tǒng)規(guī)則是在方便PCB布線(xiàn)的任何地方都應(yīng)布置去耦電容，并且FPGA電源引腳的數(shù)量決定了去耦電容的數(shù)量。但是，F(xiàn)PGA的超高開(kāi)關(guān)速度徹底打破了這種陳規(guī)。
在典型的FPGA板設(shè)計(jì)中，最靠近電源的電容為負(fù)載的電流變化提供頻率補(bǔ)償。為了提供低頻濾波并防止電源電壓下降，要使用大的去耦電容。電壓下降是由于設(shè)計(jì)電路啟動(dòng)時(shí)穩(wěn)壓器的響應(yīng)有所滯后。這種大電容通常是低頻響應(yīng)較好的電解電容，其頻率響應(yīng)范圍從直流到幾百kHz。
每個(gè)FPGA輸出變化都要求對(duì)信號(hào)線(xiàn)充電和放電，這需要能量。旁路電容的功能是在寬頻率范圍內(nèi)提供局部能量存儲(chǔ)。另外，還需要串聯(lián)電感很小的小電容來(lái)為高頻瞬變提供高速電流。而反應(yīng)慢的大電容在高頻電容器能量消耗掉以后繼續(xù)提供電流。
電源總線(xiàn)上大量的電流瞬變?cè)黾恿薋PGA設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。這種電流瞬變通常與SSO/SSN有關(guān)。插入電感非常小的電容器將提供局部高頻能量，可用來(lái)消除電源總線(xiàn)上的開(kāi)關(guān)電流噪聲。這種防止高頻電流進(jìn)入器件電源的去耦電容必須非?？拷麱PGA(小于1cm)。有時(shí)會(huì)將許多小電容并聯(lián)到一起作為器件的局部能量存儲(chǔ)，并快速響應(yīng)電流的變化需求。
總的來(lái)說(shuō)，去耦電容的布線(xiàn)應(yīng)該絕對(duì)的短，包括過(guò)孔中的垂直距離。即便是增加一點(diǎn)點(diǎn)也會(huì)增加導(dǎo)線(xiàn)的電感，從而降低去耦的效果。


圖3-典型的PCB疊層和設(shè)計(jì)要素(注意BGA焊盤(pán)要偏離于過(guò)孔)。
其他技術(shù)

隨著信號(hào)速度的提高，要在電路板上輕松地傳輸數(shù)據(jù)變得日益困難?？梢岳闷渌恍┘夹g(shù)來(lái)進(jìn)一步提升PCB的性能。
首先也是最明顯的方法就是簡(jiǎn)單的器件布局。為最關(guān)鍵的連接設(shè)計(jì)最短和最直接的路徑已經(jīng)是常識(shí)了，但不要低估了這一點(diǎn)。既然最簡(jiǎn)單的策略可以得到最好的效果，何必還要費(fèi)力去調(diào)整板上的信號(hào)呢？

幾乎同樣簡(jiǎn)要的方法是要考慮信號(hào)線(xiàn)的寬度。當(dāng)數(shù)據(jù)率高達(dá)622MHz甚至更高時(shí)，信號(hào)傳導(dǎo)的趨膚效應(yīng)變得越發(fā)突出。當(dāng)距離較長(zhǎng)時(shí)，PCB上很細(xì)的走線(xiàn)(比如4個(gè)或5個(gè)mil)將對(duì)信號(hào)形成很大的衰減，就像一個(gè)沒(méi)有設(shè)計(jì)好的具有衰減的低通濾波器一樣，其衰減隨頻率增加而增加。背板越長(zhǎng)，頻率越高，信號(hào)線(xiàn)的寬度應(yīng)越寬。對(duì)于長(zhǎng)度大于20英寸的背板走線(xiàn)，線(xiàn)寬應(yīng)該達(dá)到10或12mil。
通常，板子上最關(guān)鍵的信號(hào)是時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)時(shí)鐘線(xiàn)設(shè)計(jì)得太長(zhǎng)或不好的話(huà)，就會(huì)為下游放大抖動(dòng)和偏移，尤其是速度增加的時(shí)候。應(yīng)該避免使用多個(gè)層來(lái)傳輸時(shí)鐘，并且不要在時(shí)鐘線(xiàn)上有過(guò)孔，因?yàn)檫^(guò)孔將增加阻抗變化和反射。如果必須用內(nèi)層來(lái)布設(shè)時(shí)鐘，那么上下層應(yīng)該使用地平面來(lái)減小延遲。當(dāng)設(shè)計(jì)采用FPGAPLL時(shí)，電源平面上的噪聲會(huì)增加PLL抖動(dòng)。如果這一點(diǎn)很關(guān)鍵，可以為PLL創(chuàng)建一個(gè)“電源島”，這種島可以利用金屬平面中的較厚蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)PLL模擬電源和數(shù)字電源的隔離。
對(duì)于速率超過(guò)2Gbps的信號(hào)，必須考慮成本更高的解決方案。在這么高的頻率下，背板厚度和過(guò)孔設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)的完整性影響很大。背板厚度不超過(guò)0.200英寸時(shí)效果較好。當(dāng)PCB上為高速信號(hào)時(shí)，層數(shù)應(yīng)盡可能少，這樣可以限制過(guò)孔的數(shù)量。在厚板中，連接信號(hào)層的過(guò)孔較長(zhǎng)，將形成信號(hào)路徑上的傳輸線(xiàn)分支。采用埋孔可以解決該問(wèn)題，但制造成本很高。另一種選擇是選用低耗損的介電材料，例如Rogers4350,GETEK或ARLON。這些材料與FR4材料相比其成本可能接近翻倍，但有時(shí)這是唯一的選擇。

還有其他一些用于FPGA的設(shè)計(jì)技術(shù)，它們可以提供I/O位置的一些選擇。在關(guān)鍵的高速SERDES設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)保留(但不用)相鄰的I/O引腳來(lái)隔離SERDESI/O。例如，相對(duì)于SERDESRx和Tx,VCCRX#和VCCTX#以及球位置，可以保留3x3或5x5BGA球區(qū)域?；蛘呷绻赡艿脑?huà)，可以保留靠近SERDES的整個(gè)I/O組。如果設(shè)計(jì)中沒(méi)有I/O限制，這些技術(shù)能夠帶來(lái)好處，而且不會(huì)增加成本。

最后，也是最好的方法之一是參考FPGA制造商提供的參考板。絕大部分制造商會(huì)提供參考板的源版圖信息，雖然由于私有信息問(wèn)題可能需要特別申請(qǐng)。這些電路板通常包含標(biāo)準(zhǔn)的高速I(mǎi)/O接口，因?yàn)镕PGA制造商在表征和認(rèn)證他們的器件時(shí)需要用到這些接口。不過(guò)要記住，這些電路板通常是為多種用途設(shè)計(jì)的，不見(jiàn)得與特定的設(shè)計(jì)需求剛好匹配。雖然這樣，它們?nèi)钥梢宰鳛閯?chuàng)建解決方案的起點(diǎn)。

本文小結(jié)

當(dāng)然，本文只談及了一些基本的概念。這里所涉及的任何一個(gè)主題都可以用整本書(shū)的篇幅來(lái)討論。關(guān)鍵是要在為PCB版圖設(shè)計(jì)投入大量時(shí)間和精力之前搞清楚目標(biāo)是什么。一旦完成了版圖設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)就會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和金錢(qián)，即便是對(duì)走線(xiàn)的寬度作略微的調(diào)整。不能依賴(lài)PCB版圖工程師做出能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求的設(shè)計(jì)來(lái)。原理圖設(shè)計(jì)師要一直提供指導(dǎo)，作出精明的選擇，并為解決方案的成功負(fù)起責(zé)任。