【技术分享】针对FPGA的GTP信号,PCB设计时应考虑的信号完整性问题

2019-04-17 13:05:54 来源:21ic
标签:

 

千兆位级串行I/O技术有着极其出色的优越性能,但这些优越的性能是需要条件来保证的,即优秀的信号完整性。例如,有个供应商报告说,他们第一次试图将高速、千兆位级串行设计用于某种特定应用时,失败率为90%。为了提高成功率,我们可能需要进行模拟仿真,并采用更复杂的新型旁路电路。

 

 

Spartan-6 FPGAGTP工作性能取决于PCB的信号完整性,PCB设计过程中需要考虑到以下因素:板的叠层结构,元器件的布局,信号走线。

 

电源与叠层

针对Spartan-6 FPGA的GTP transceiver,叠层可以分为两组,电源分布层和信号走线层。电源层用来连接GTP的MGTACC,MGTAVCCPLL,MGTAVTTTX和MGTAVTTRX电源引脚。叠层结构可以参考下图。

 

在上图的叠层中,地平面层位传输信号线提供了信号回流路径。同时,由于在两信号层中间有屏蔽的平面,在信号走线时就可以不考虑相邻层走线的所需考虑的问题,并且提供了更多的信号路径。

 

GTP的电源层应该与地平面紧密相邻,增加耦合效果,地平面可以为GTP的电源平面提供屏蔽,屏蔽电源平面来自上一层或下一层信号引起的噪声干扰。

 

实际上,从另一个角度考虑,即当电源的噪声出现在高频范围,随着频率的增大,越来越难找到电容可以覆盖此频率范围,达到滤波效果,直至不可能找到这样的电容。随着电容值的减小,相关的杂散电感和封装的电阻值并不相应改变,所以频率响应也不会发生太大变化。为了在高速情况下实现较好的电源分配,我们需要利用电源层和地层来建构我们自己的电容。为了更有效的达到我们的目的,通常需要使用相邻的电源层和地层。

 

GTP的电源管脚和电源分布网络之间的连接对GTP的工作性能起着很关键的作用。PDN,和FPGA需要低阻抗和低噪声的连接。FPGA的GTP电源容忍最大噪声为10mVpp,在10KHz到80MHz的范围内,电源可以用一个小块平面。这个小的电源平面不要覆盖到SelectIO接口的区域。

 

电容摆放

旁路电容除了考虑容值大小外,需要考虑的另一重要方面是电容的放置。

 

一般的规则是,电容值越大则其放置要求越不严格。若电容值较小,则电容应该尽可能靠近电源和地的引脚。可以采用的一种方法是将不用的通用IO的走线和过孔移除,从而为旁路电容腾出空间GTP的电源分割区域的位置和GTP滤波电容的位置也可以参考下图。

 


信号走线

应该避免GTP信号走线和SelectIO信号走线在相邻层,其各自的回流路径也应保持分离,包括过孔。

 

差分线路对之间以及差分线路和其他线路之间都要保持一定的距离,这一点是很重要的。通常的规则是:相邻线路对间的距离至少要 5 倍于线路对中两线的距离如下图所示。

 

 

千兆位级信号差分线路应当尽可能避免改变走线层。如果跨层传输是必须的,那么需要特别小心。首先,必须提供一个完整的返回路径。所以我们必须把层A的参考层和层B的参考层耦合在一起。最理想的情况是两个参考层都是地层。在这种情况下,返回路径可以通过在转层过孔附近放置另一个连接两个参考层的过孔来实现。下图给出这种技术的示意图。

 


如果参考层是不同的(一个是地层,另一个是电源层),则需要在离过孔尽可能近的地方放置 0.01μF 的电容来连接两个参考层,降低回流路径的阻抗。如下图所示。

 

 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读
物联网发展迎来新的活力,作为FPGA业界的佼佼者,赛灵思的表现会是如何?

近些年来,物联网的发展为工业和医疗领域带来了新的活力。由此,也催生了工业物联网(IIoT)和医疗物联网(HcIoT)的创新。这些新兴领域的崛起,为FPGA的发展提供了机会。作为FPGA业界的佼佼者,赛灵思在工业物联网和医疗物联网领域上的表现如何?

AI应用扩张,FPGA的市场规模未来四年有望达52亿美元?

过去几年,FPGA的CAGR大约一直保持在8-10%左右,随着该类器件在AI应用中的扩张,未来5年其CAGR增长将高达38.4%!根据市场调研公司Semico Research的预测,人工智能应用中FPGA的市场规模将在未来4年内增长3倍,达到52亿美元。

MachXO3D FPGA和sensAI 2.0同时发布,莱迪思用FPGA诠释AIoT
MachXO3D FPGA和sensAI 2.0同时发布,莱迪思用FPGA诠释AIoT

“FPGA的应用设计是从FPGA本身的灵活性出发的,只是刚好AI能够在乘法器和加法器上跑运算,因此FPGA的SoC和ASIC属于健康竞争的关系,更多时候是优势互补,通过性能搭配实现双赢。”

Spectral Edge在台北国际电脑展展示突破性FPGA图像信号处理器

位于英国剑桥的数码图像处理IP公司Spectral Edge已被Talents@Taipei机构认证为创新型初创公司,并获邀参加台北国际电脑展(Computex Taipei)(全球性计划的一部分),在台湾推动国际商务关系发展。

Achronix推出突破性的FPGA系列产品,以面向高带宽数据加速应用的灵活性而将性能提升到全新高度

基于现场可编程门阵列(FPGA)的硬件加速器件和高性能嵌入式FPGA(eFPGA)半导体知识产权(IP)领导性企业Achronix半导体公司(Achronix Semiconductor Corporation)今日宣布:推出创新性的、全新的FPGA系列产品,以满足人工智能/机器学习(AI/ML)和高带宽数据加速应用日益增长的需求.

更多资讯
中芯退市:至少先知道这些

中芯国际(SMIC),中国最大的半导体制造商将于6月14日正式退出纽约证券交易所,结束其在美国的15年上市

以应用带动产业,中国半导体发展还需国际合作

此次华为事件再次给中国半导体产业敲响警钟,近年我国大力发展半导体产业,但“受制于人”的局面仍然困扰着中国的半导体以及整机企业。

快讯:中芯国际宣布申请从纽交所退市

5月24日晚间,中芯国际发布关于拟将美国预托证券股份从纽约证券交易所退市和撤销根据美国证券交易法之注册及终止申报责任的海外监管公告。

二维材料领域突破,北大科学家实现分米级单晶单层六方氮化硼的制备

来自北京大学的科学家与合作者利用中心反演对称性破缺衬底首次成功实现分米级二维六方氮化硼单晶的外延制备。这是继米级石墨烯单晶成功制备之后,二维材料单晶生长领域又一重大进展。

台积电总裁魏哲家:5G是半导体业的新前景,一定抓住机会

晶圆代工厂台积电今(23)日举行2019技术论坛,总裁魏哲家亲自出席开幕演讲,内容聚焦台积电产业定位及与客户在先进制程的创新突破。

电路方案