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FPGA的PCB设计


基于PCI总线的FPGA的PCB设计

在设计过程中,由于板上电子元器件密度较大,走线较密,信号频率也越来越高,不可避免要出现电磁兼容和电磁干扰问题。基于总线的在进行设计时由于要满足协议、集成电路芯片及其他元件的,其设计要注意的问题更多。本文从几个方面介绍了基于总线的的设计中需注意的问题及解决方法。是用公司的。完成的。集成电路芯片用的是公司的。

一、PCB板层的布局

1.1层数的确定

板层数是根据板的电源和地的种类、信号线的密集程度、信号频率的高低、特殊布线要求如本设计中总线信号线的长度要符合协议以及成本价格等方面来综合考虑”’。为了满足的严格指标,在本文所说设计中选择了四层板地层、电源层、两层信号层。

1.2板层的布局布线

为了满足,防止,在考虑板层布局布线时要考虑以下原则:

(1)电源层与地层相邻:由于电源和地平面本身存在特性阻抗,而且电源平面阻抗要大于地平面,这样将电源平面和地平面相邻就可以形成藕合电容,再和上的其他藕合电容一起降低电源平面的阻抗,还可获得较宽滤波。

(2)优先选择地平面作为参考平面,且地平面要相对完整:虽然电源和地平面均可作为参考平面,但由于电源平面有较大的特性阻抗,与参考电平有较大电位差,所以要优选地作为参考平面。从屏蔽角度考虑,地平面也远远优于电源平面。对多层板而言,一般不允许信号线走地平面,即使可能因为走线密度太大而在电源平面的边缘走线。相对而言,电源平面就可以根据需要分割。在本设计中除了主要用到电压外还需要电压,在设计中就对电源层进行了分割。

(3)关键信号一般要相邻地平面。在有多层信号层的设计中,某些关键信号,如高频信号、高速信号、时钟信号等要相邻地平面布线。这样信号线与地线间的距离仅为板层间距,实际电流总是在信号线正下方的地线流动,具有最小信号环路面积,从而减少电磁辐射,也就可以防止。。

(4)电源、地线的处理。电源、地线在整个设计中起着举足轻重的作用,即使布线完成得都很好,但如果电源、地线考虑不周到而引起干扰,会使产品的性能下降,有时甚至影响到产品的成功率。所以对电源、地线的布线要认真对待,把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度,以保证产品的质量。有以下方法可供选择:

①在电源、地线之间加上去耦电容;②尽量增大电源、地线宽度,最好是地线比电源线更宽,满足长度关系地线电源线信号线,通常信号线宽为一,最精细宽度可达一,电源线为一;③用大面积铜层作地线用,对单层印制板,把板上没用上的地方都与地相连接作为地线用,或是做成多层板,电源、地线各占用一层。

(5)元器件布置:首先应对板上的元器件分组,同组的放在一起,以便在空间上保证各组的元器件不至于相互干扰。在设计中,分组时一般以芯片为“核心”。不相容的器件要分开布置,例如发热元件远离关键集成电路,磁性元件要屏蔽,敏感器件则应远离时钟发生器等等。连接器及其引脚应根据元器件在板上的位置确定。所有连接器最好放在印制板的一侧,尽量避免从两侧引出电缆,以便减小共模电流辐射,如本设计中的连接卡。高速器件濒率大于或上升时间小于的器件尽可能远离连接器等。

二、电容的应用

前面已经提过,将电源平面和地平面相邻可形成藕合电容。但使用电源平面和地平面作为主要去藕电容仍要考虑层间电容的自谐振频率。如果电源层与地层的自谐振频率与板上总的去藕电容的自谐振频率相等,则遇到该频率时就会发生剧烈的谐振,不再有宽频的去耦能力。如果时钟频率与该谐振频率相等,高频时将没有去耦能力。发生这种情况时,板会变成辐射源且有可能达不到防止的要求。所以在实际设计中,除了让电源和地平面尽可能相邻形成藕合电容外,还可以采用外加具有不同自谐振频率的去耦电容以改变板层间的谐振频率。

2.1去藕电容的作用

抑制因负载变化而产生的噪声。在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声例如在数字电路中,当电路从一个状态转换为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压。去耦电容可以为瞬态变化的电流提供就近的高强通道,从而减少了向外的辐射噪声。

维持响应速度。治板是通过电源线与电源相连的,但电源线的电感会阻止电流的瞬态速度,从而影响板的响应速度。去耦电容的充放电作用使板得到的供电电压比较平稳,减小了电压振荡现象,芯片可以就近在各自的去耦电容上吸收或释放电流,不必通过电源线从较远的电源中取得电流,因此不会影响板的响应速度。

2.2去耦电容的配置

要配置多大的去耦电容有具体的公式可以计算得出,右川七不列举具体公式,只介绍所依据的一般原则电源输人端跨接的电解电容器。如果印制电路板的位置允许,采用以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。

原则上每个集成电路芯片都应布置一个的陶瓷电容,如遇印制板空间不够,可每个芯片布置一个一的担电解电容。这种器件的高频阻抗特别小,在一范围内阻抗小于几,而且漏电流很小。

对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接人去藕电容。

去耦电容的作用是减小藕合干扰和为芯片提供瞬态高能量。应尽量降低去藕电容自身的引线电感,所以去藕电容引线要尽可能短,尤其是高频旁路电容不能有引线。

2.3去藕电容的布局

在安放去藕电容时应使电容的供电回路面积尽量小,尽量使去耦电容靠近集成电路芯片。但由于集成电路芯片信号线布线的影响,这种放置方法不能实现,但使去藕电容与芯片电源端和地端间的连线尽量短是必须把握的一个原则。图为设计中去藕电容的布置,靠近放置在信号层的底部。

三、信号完整性分析

信号完整性是设计中很关心的问题,如果信号缺乏完整性,数据就会受到不同程度的畸变。信号完整性故障会引起任意的信号跳变,导致把输人的畸变数据送人锁存,或在畸变的时钟跳变沿造成在错误的时间捕获数据。随着电路几作频率的提高,信号完整性问题会越来越突出。

信号完整性问题主要指信号的过冲和阻尼振荡现象,它们主要是驱动幅度和跳变时间的函数。也就是说,即使布线拓扑结构没有变化,只要芯片速度变得足够决,现有设计也将处于临界状态或者停止工作。集成电路设计进入深亚微米皿艺后,可以通过原理图设计、布局布线设计和仿真三个方面来解决信号的完整性问题。

在原理图设计方案中,通过设计同步切换输出数量、各单元的最大和等工作来控制信号的完整性,也可为高扇出功能块,如时钟驱动器使用信号或全摆幅的差分信号。

在布局布线时通过考虑板层的排序、的介电常数、介质的厚度、信号层所处的位置以及线宽等等来判断某一线条是否属于微带线、带状线、宽带藕合带状线,并且根据不同的计算公式自动计算出信号线的阻抗以及信号的反射、串绕、电磁干扰等等,从而可以对布线进行约束以保证的信号完整性。除此以外,还要考虑具体设计中的具体规定。比如在本文所述设计中,信号线长就要严格按照协议的规定。协议规定①在犯位和位板上,所有犯位接口信号的最大走线长度为英寸,即毫米②在所有的位扩展板上,用于位扩展的附加信号线走线长度最大为英寸③无论是位还是位板,其上的信号走线长度为士英寸,而且只能连到一个负载上。为了满足上述协议要求,在实际走线时就必然会出现蛇行走线。

电路仿真是解决信号完整性问题的最常用方法。公司的软件就提供了仿真功能。但该仿真软件在运用起来并不是很容易,要设的参数很多,如果对内部计算不很了解,很有可能因为一两个参数的错误而导致结果失败。所以在实际设计中,我们采用了在满足协议和元件基础上,在设定完基本的参数,如线宽、线距等等后,采用了手动布线。这样虽然在速度上不占优势,但避免了因为不熟悉参数和选项的设置而出现错误。

结论

当今电路设计中,设计是其中重要一环。本文结合基于总线的设计,围绕着设计中如何保证电磁兼容和防止电磁干扰的问题,具体介绍了板层的布局、去耦电容的作用和信号完整性分析,为今后设计工作积累经验。

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