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基于高速FPGA的PCB设想手艺 - PCB建造相干

宣布时辰:2015-08-17 08:49:31 分类:材料中间

 若是高速PCB设想可以或许或许或许像毗连道理图节点那样简略,和像在计较机显现器上所看到的那样夸姣的话,那将是一件何等夸姣的任务。可是,除非设想师初入PCB设想,或是极端的荣幸,现实的PCB设想凡是不像他们所处置的电路设想那样轻松。深圳捷多邦科技无限公司作为PCB打样行业的一匹黑马,一向走在PCB打样行业的前线。捷多邦的高等工程师在谈到如许一个题目时说到,在设想终可以或许或许或许一般任务、有人对机能作出必定之前,PCB设想师都面对着很多新的挑衅。这恰是今朝高速PCB设想的近况--设想法则和设想指南不时成长,若是荣幸的话,它们会组成一个胜利的处置计划。

  绝大大都PCB是精晓PCB器件的任务道理和相互影响和组成电路板输入和输入的各类数据传输规范的道理图设想师与可以或许或许晓得一点乃至可以或许或许一点也不晓得将小小的道理图连线转换成印刷电路铜线后将会发生甚么的专业幅员设想师相互协作的功效。凡是,对终电路板的成败担任的是道理图设想师。可是,道理图设想师对优异的幅员手艺晓得越多,防止呈现严重题目标机遇就越多。

  若是设想中含有高密度的FPGA,很可以或许或许会有很多挑衅摆放在经心设想的道理图后面。包罗数以百计的输入和输入口数目,跨越500MHz(某些设想中可以或许或许更高) 的任务频次,和小至半毫米的焊球间距等,这些都将致使设想单位之间发生不应有的相互影响。

  并发开关噪声

  一个挑衅很可以或许或许便是所谓的并发开关噪声(SSN)或并发开关输入(SSO)。大批的高频数据流将在数据线上发生振铃和串扰之类的题目,而电源和地立体上也会呈现影响全部电路板机能的地线反弹和电源噪声题目。

  为了处置高速数据线上的振铃和串扰,改用差分旌旗灯号是很好的一步。由于差分对上的一条线是领受(Sink)端,别的一条供给源电流,是以能从底子上消弭感到影响。操纵差分对传输数据时,由于电流坚持在局部,是以有助于减小前往途径中的感到电流发生的‘反弹’噪声。对高达数百MHz乃至数GHz的射频,旌旗灯号现实标明,在阻抗婚配时可以或许或许传递大旌旗灯号功率。而传输线婚配不好时,将会发生反射,只要一局部旌旗灯号从发轫传输到领受装备,而其余局部将在发送端和领受端之间往返反弹。在PCB上差分旌旗灯号实现的黑白将对阻抗婚配(和其余方面)起很大的感化。

  差分走线设想

  差分走线设想成立在阻抗受控的PCB道理上。其模子有点像同轴电缆。在阻抗受控的PCB上,金属立体层可以或许或许看成屏障层,绝缘体是FR4层压板,而导体则是旌旗灯号走线。FR4的均匀介电常数在4.2到4.5之间。由于不晓得建造偏差,有可以或许或许致使对铜线的过分蚀刻,终构成阻抗偏差。计较PCB走线阻抗的切确方式是操纵场剖析法式(凡是是二维,偶然候用三维),它须要操纵无限元对全部PCB批量间接解麦克斯韦方程。该软件可以或许或许按照走线间距、线宽、线厚和绝缘层的高度来阐发EMI效应。

  100Ω特点阻抗已成为差分毗连线的行业规范值。100Ω的差分线可以或许或许用两根等长的50Ω单端线建造。由于两根走线相互接近,线间的场耦合将减小线的差模阻抗。为了坚持100Ω的阻抗,走线的宽度必须减小一点。成果,100Ω差分线对中每根线的共模阻抗将比50欧略为高一点。

  现实上走线的尺寸和所用的材料决议了阻抗,但过孔、毗连器乃至器件焊盘都将在旌旗灯号途径中引入阻抗不持续性。不必这些工具凡是是不可以或许或许的。偶然候,为了更公道的规划和布线,就须要增添PCB的层数,或增添像埋孔这类功效。埋孔只毗连PCB的局部层,可是在处置传输线题目标同时,也增添了板子的建造本钱。但偶然候底子不挑选。跟着旌旗灯号速度愈来愈快,空间愈来愈小,像对埋孔这类的额定须要起头增添,这些都应成为PCB处置计划的本钱身分。

  在接纳带状线布线时,旌旗灯号被FR-4材料夹在中间。而微带线时,一条导体是袒露在氛围中的。由于氛围的介电常数低(Er= 1),故顶层合适布设一些关头旌旗灯号,如时钟旌旗灯号或高频的SERial-DESerial (SERDES)旌旗灯号。 微带线布线应当耦合到下方的地立体,该地立体经由过程领受局部电磁场线来减小电磁搅扰(EMI)。在带状线中,一切的电磁场线耦合到上方和下方的参考立体,这大大降落了EMI.若是可以或许或许的话,应当尽可以或许或许不要用宽边耦合带状线设想。这类规划轻易遭到参考面中耦合的差分噪声的影响。别的还须要PCB的平衡建造,这是很难节制的。总的来讲,节制位于统一层上的线间距仍是比拟轻易的。

  去耦和旁路电容器

  别的一个肯定PCB的现实机能是不是合适预期的主要方面须要经由过程增添去耦和旁路电容停止节制。增添去耦电容器有助于减小PCB的电源与地立体之间的电感,并有助于节制PCB上遍地的旌旗灯号和IC的阻抗。旁路电容有助于为FPGA供给一个清洁的电源(供给一个电荷库)。传统法则是在便利PCB布线的任何处所都应安排去耦电容,并且FPGA电源引脚的数目决议了去耦电容的数目。可是,FPGA的超高开关速度完全突破了这类成规。

  在典范的FPGA板设想中,接近电源的电容为负载的电流变更供给频次弥补。为了供给低频滤波并防止电源电压降落,要操纵大的去耦电容。电压降落是由于设想电路启动时稳压器的呼应有所滞后。这类大电容凡是是低频呼应较好的电解电容,其频次呼应规模从直流到几百kHz.

  每一个FPGA输入变更都请求对旌旗灯号线充电和放电,这须要能量。旁路电容的功效是在宽频次规模内供给局部能量存储。别的,还须要串连电感很小的小电容来为高频瞬变供给高速电流。而反映慢的大电容在高频电容器能量花费掉今后持续供给电流。

  电源总线上大批的电流瞬变增添了FPGA设想的庞杂性。这类电流瞬变凡是与SSO/SSN有关。拔出电感很是小的电容器将供给局部高频能量,可用来消弭电源总线上的开关电流噪声。这类防止高频电流进入器件电源的去耦电容必须很是接近FPGA(小于1cm)。偶然会将很多小电容并联到一路作为器件的局部能量存储,并疾速呼应电流的变更须要。

  总的来讲,去耦电容的布线应当绝对的短,包罗过孔中的垂直间隔。即使是增添一点点也会增添导线的电感,从而降落去耦的结果。

  其余手艺

  跟着旌旗灯号速度的进步,要在电路板上轻松地传输数据变得日趋坚苦。可以或许或许操纵其余一些手艺来进一步晋升PCB的机能。

  起首也是较着的方式便是简略的器件规划。为关头的毗连设想短和间接的途径已是知识了,但不要低估了这一点。既然简略的战略可以或许或许获得好的结果,何须还要吃力去调剂板上的旌旗灯号呢?

  几近一样扼要的方式是要斟酌旌旗灯号线的宽度。当数据率高达622MHz乃至更高时,旌旗灯号传导的趋肤效应变得更加凸起。当间隔较永劫,PCB上很细的走线(比方4个或5个mil)将对旌旗灯号组成很大的衰减,就像一个不设想好的具备衰减的低通滤波器一样,其衰减随频次增添而增添。背板越长,频次越高,旌旗灯号线的宽度应越宽。对长度大于20英寸的背板走线,线宽应当到达10或12mil.

  凡是, 板子上关头的旌旗灯号是时钟旌旗灯号。那时钟线设想得太长或不好的话,就会为下流缩小发抖和偏移,出格是速度增添的时辰。应当防止操纵多个层来传输时钟,并且不要在时钟线上有过孔,由于过孔将增添阻抗变更和反射。若是必须用内层来布设时钟,那末高低层应当操纵地立体来减小提早。当设想接纳FPGA PLL时,电源立体上的噪声会增添PLL发抖。若是这一点很关头,可以或许或许为PLL建立一个‘电源岛’,这类岛可以或许或许操纵金属立体中的较厚蚀刻来实现PLL摹拟电源和数字电源的断绝。

  对速度跨越2Gbps的旌旗灯号,必须斟酌本钱更高的处置计划。在这么高的频次下,背板厚度和过孔设想对旌旗灯号的完全性影响很大。背板厚度不跨越0.200英寸时结果较好。当PCB上为高速旌旗灯号时,层数应尽可以或许或许少,如允许以或许或许限定过孔的数目。在厚板中,毗连旌旗灯号层的过孔较长,将组成旌旗灯号途径上的传输线分支。接纳埋孔可以或许或许处置该题目,但建造本钱很高。别的一种挑选是选用低花费的介电材料,比方Rogers 4350, GETEK或ARLON.这些材料与FR4材料比拟其本钱可以或许或许接近翻倍,但偶然这是独一的挑选。

  另有其余一些用于FPGA的设想手艺,它们可以或许或许供给I/O地位的一些挑选。在关头的高速SERDES设想中,可以或许或许经由过程保留(但不必)相邻的I/O引脚来断绝SERDES I/O.比方,绝对SERDES Rx和Tx, VCCRX# 和 VCCTX#和球地位,可以或许或许保留3x3 或5x5 BGA 球地区。或若是可以或许或许的话,可以或许或许保留接近SERDES的全部I/O组。若是设想中不I/O限定,这些手艺可以或许或许或许带来益处,并且不会增添本钱。

  后,也是好的方式之一是参考FPGA建造商供给的参考板。绝大局部建造商会供给参考板的源幅员信息,固然由于公有信息题目可以或许或许须要出格请求。这些电路板凡是包罗规范的高速I/O接口,由于FPGA建造商在表征和认证他们的器件时须要用到这些接口。不过要记着,这些电路板凡是是为多种用处设想的,不见得与特定的设想须要恰好婚配。固然如许, 它们仍可以或许或许作为建立处置计划的出发点。

  本文小结

  固然,本文只谈及了一些根基的观点。这里所触及的任何一个主题都可以或许或许用整本书的篇幅来会商。关头是要在为PCB幅员设想投入大批时辰和精神之前搞清晰方针是甚么。一旦实现了幅员设想,从头设想就会花费大批的时辰和款项,即使是对走线的宽度作稍微的调剂。不能依靠PCB幅员工程师做出可以或许或许或许知足现实须要的设想来。道理图设想师要一向供给指点,作出夺目标挑选,并为处置计划的胜利负起义务。

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