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今天的CMOS技術(shù)能讓一顆FPGA元件擁有多個(gè)I/O介面。同時(shí)，近幾年來，低功耗也已開始成為高速I/O介面的主流概念。降低功耗的最有效途徑就是降低電壓，而電壓降低就會(huì)導(dǎo)致I/O介面所允許的雜訊余量變小。因此，對(duì)FPGA用戶而言，量化晶片、封裝和PCB環(huán)境下的系統(tǒng)級(jí)同步開關(guān)雜訊(SSN)就顯得十分必要。

 

本文對(duì)SSN進(jìn)行了系統(tǒng)性介紹，著重介紹由FPGA輸出緩沖導(dǎo)致的SSN。這種雜訊通常被稱為同步開關(guān)輸出雜訊(SSO)，與輸入緩沖導(dǎo)致的SSN不同。本文介紹了系統(tǒng)級(jí)SSO的成因，并提出了一種分層的系統(tǒng)級(jí)SSO建模方法。同時(shí)，本文還講解了如何將SSO模型與頻域和時(shí)域測(cè)量關(guān)聯(lián)，并提出幾種減少SSO的PCB設(shè)計(jì)方法。

 

系統(tǒng)級(jí)SSO的形成機(jī)制

帶FPGA的PCB是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，可將其分為包含主動(dòng)電路的晶片部份、具有嵌入式被動(dòng)元件的支撐走線的封裝部份，以及為FPGA與外部提供連接的電路板部份。在此類系統(tǒng)中，要想弄清晶片內(nèi)部的雜訊特性很困難。因此，對(duì)與FPGA相連的PCB走線近端和遠(yuǎn)端的SSO進(jìn)行量化就顯得很有價(jià)值。有兩大因素會(huì)造成SSO：電源分配網(wǎng)路(PDN)的阻抗和開關(guān)I/O之間的互感藕合。

 

從系統(tǒng)的角度來說，PDN中包含晶片級(jí)、封裝級(jí)和板卡級(jí)的元件，這些元件共同為CMOS電路供電。當(dāng)一定數(shù)量的CMOS輸出驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)打開時(shí)，就會(huì)有很大電流瞬間涌入PDN的感性電路元件中，產(chǎn)生一個(gè)delta-I壓降。互連結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生寄生電感，如球柵陣列封裝上的電源焊球和PCB中的電源過孔。這種快速變化的電流還會(huì)在電源/接地平面對(duì)之間激勵(lì)起放射狀的電磁波，電磁波從PCB的平面邊緣反射回來，在電源/接地平面之間產(chǎn)生諧振，因而導(dǎo)致電壓波動(dòng)。

 

造成SSO的另一個(gè)重要原因是互感藕合，尤其是在晶片封裝/PCB邊沿周圍產(chǎn)生的互感藕合。晶片BGA封裝上的焊球與PCB上的過孔都屬于緊藕合的多導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。每個(gè)I/O焊球及其相應(yīng)的PCB過孔與離它最近的接地焊球和接地過孔構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)多個(gè)I/O埠的狀態(tài)同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)有瞬態(tài)I/O電流流過這些訊號(hào)回路。這種瞬態(tài)I/O電流又會(huì)產(chǎn)生時(shí)變的磁場(chǎng)，并侵入鄰近的訊號(hào)回路造成感應(yīng)電壓雜訊。

 

一個(gè)優(yōu)秀的SSO模型應(yīng)能展現(xiàn)SSO的基本形成機(jī)制。圖1為一個(gè)用于預(yù)測(cè)PCB中SSO的分層模型。在晶片級(jí)，我們需要的是能在有限復(fù)雜度下提供電源線和訊號(hào)線上精確電流分佈的輸出緩沖模型。在封裝級(jí)，為簡(jiǎn)單起見，可利用建模工具分別得到PDN模型和訊號(hào)藕合模型，但應(yīng)謹(jǐn)慎考慮PDN和訊號(hào)藕合模型之間的相互影響。這兩個(gè)模型連接了晶片封裝上凸點(diǎn)端的輸出緩沖模型和焊球端的PCB級(jí)模型。PCB的PDN模型通常包含電源/接地平面和其上的大容量/去藕電容，而PCB的訊號(hào)藕合模型中則包含一個(gè)緊藕合的過孔陣列和不同訊號(hào)層上的松藕合訊號(hào)走線。這兩個(gè)PCB級(jí)模型的交互效應(yīng)出現(xiàn)在PCB過孔陣列中，感性串?dāng)_正是從這里將雜訊帶入PDN模型，delta-I雜訊反過來會(huì)降低I/O訊號(hào)品質(zhì)。這種分層建模方法合理地保持了模擬精密度，同時(shí)也提高了此類復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)算效率。

 

圖1：帶FPGA的PCB的SSO模型示意圖。

 

透過PCB設(shè)計(jì)減少SSO

以下將針對(duì)搭載了FPGA的印刷電路板介紹兩種以SSO產(chǎn)生機(jī)制來減少SSO的基本設(shè)計(jì)方法。

 

1. 減少感性藕合的設(shè)計(jì)方法

模擬結(jié)果顯示，晶片封裝/PCB介面上的感性藕合是導(dǎo)致SSO波形中高頻尖峰的元兇。一個(gè)大小為t×d的訊號(hào)回路由一個(gè)訊號(hào)過孔和距其最近的接地過孔組成，這個(gè)回路的大小就代表著了感性藕合的強(qiáng)弱，如圖2所示。I/O干擾回路的面積越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越容易侵入鄰近的被干擾回路。被干擾I/O訊號(hào)回路的面積越大，也就更容易受其他I/O回路干擾。因此，要降低串?dāng)_和參數(shù)t，設(shè)計(jì)中就應(yīng)注意采用較薄的PCB，而且PCB上的關(guān)鍵I/O應(yīng)從較淺的訊號(hào)層引出。同時(shí)，設(shè)計(jì)師還可透過縮短I/O過孔與接地過孔之間的距離來減少串?dāng)_。在圖中所示的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師專門將一對(duì)I/O焊盤連到了地平面和VCCIO平面，以減少干擾接腳和被干擾接腳相應(yīng)的訊號(hào)回路面積。

 

圖2：訊號(hào)回路的示意圖。

 

為評(píng)估本方法的有效性，我們對(duì)FPGA I/O Bank1和Bank2進(jìn)行了兩次測(cè)量，如圖3所示。這兩個(gè)Bank中的所有I/O埠都配置為電流強(qiáng)度12mA的LVTTL 2.5V介面，并透過50Ω帶狀線與10pF的電容端接。

 

圖3：I/O Bank 1和I/O Bank 2的接腳映射圖。

 

在Bank1中，接腳AF30是被干擾接腳。在FPGA設(shè)計(jì)中，將W24、W29、AC25、AC32、AE31和AH31這6個(gè)接腳透過編程設(shè)置為邏輯‘0’，它們透過過孔連接到PCB的接地平面。U28、AA24、AA26、AE28和AE30這5個(gè)接腳則透過編程設(shè)置為邏輯‘1’，并連接到PCB的VCCIO平面。其他68個(gè)I/O埠以10MHz頻率同時(shí)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，因此是產(chǎn)生干擾的接腳。為了進(jìn)行比較，Bank2中沒有將W24、W29、AC25、AC32、AE31、AH31、U28、AA24、AA26、AE28和AE30這些I/O透過編程設(shè)置為接地腳或VCCIO腳，只是將其空置，其他68個(gè)I/O仍然同時(shí)開關(guān)，如圖3所示。

 

實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示Bank1中AF30上的地彈(ground bounce)已比Bank 2中的G30降低了17%，電壓下陷(power sag)也減少了13%。模擬結(jié)果也驗(yàn)證了這一改善。由于可編程接地接腳的出現(xiàn)縮短了干擾回路和被干擾回路的距離d，因此SSO的減少是預(yù)料中的，如圖2所示。然而，由于晶片封裝中的訊號(hào)回路面積無法減少，所以改善程度也有限。

 

2. 透過合理設(shè)計(jì)減少PDN阻抗

PCB上介面處VCCIO和接地接腳之間的阻抗，是評(píng)估一顆FPGA晶片PDN性能的最重要標(biāo)淮。透過采用有效的去藕策略，并使用較薄的電源/接地平面對(duì)可減少這一輸入阻抗。但最有效的方法還是縮短將VCCIO焊球連接至VCCIO平面的電源過孔的長(zhǎng)度。而且，縮短電源過孔也會(huì)減少其與鄰近接地過孔構(gòu)成的回路，使這一回路較不易受干擾I/O回路狀態(tài)變化的影響。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將VCCIO平面安排在離PCB頂層更近的位置。

 

本文小結(jié)

本文對(duì)裝有FPGA的PCB上的同步開關(guān)雜訊模擬進(jìn)行了全面分析。分析結(jié)果顯示，封裝和PCB介面上的串?dāng)_與封裝和PCB上的PDN阻抗分佈是SSO的兩個(gè)重要成因。

 

相關(guān)模型適用于幫助PCB設(shè)計(jì)師減少SSO，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的PCB設(shè)計(jì)。文中還介紹了幾種降低SSO的方法。其中，合理分配訊號(hào)層并充分利用可編程的接地/電源接腳可幫助減少PCB級(jí)的感性串?dāng)_，將VCCIO安排在PCB迭層中較淺的位置也可降低PDN阻抗。