《电子技术应用》

FPGA的GTP信号PCB布线要点

2011/2/18 0:00:00

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 FPGA的GTP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。

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