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FPGA的PCB设计

来源:电子工程专辑发布时间:2022-11-22

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一、FPGA的高速电路板设计

PCB板的设计规模增大，IO传输问题也就出现。为了兼容其他高速模块，必须对PCB的设计进行优化。

1️⃣电源滤波，降低系统噪声

2️⃣匹配信号线

3️⃣降低并行走线的噪扰

4️⃣减小反弹效应

5️⃣进行阻抗匹配

为了实现上述要求，可以采用的方法有：

(1)选择合适的材料

一般选用介电常数越小的材料，传输阻抗越小，传输损耗越小。Altera中给出了FR-4的高速报告，说明FR-4可以跑高速设计。但是，一般还是需要了解厂家的材料的信息，用于整个设计的阻抗计算。

(2)PCB上传输走线

有微带传输线布局(单一参考面)和带状传输线布局(双参考平面)两种，可以支持基本的设计。

(3)阻抗计算

在PCB板设计之初就做好阻抗的控制，保证后期有足够的时序余量。

(4)降低串扰和维持信号完整性的布线方法

1️⃣在允许范围内，提高线距

2️⃣临近地线，可以去耦合

3️⃣差分布线，可以提高信号完整性

4️⃣存在明显耦合，可以在不同层之间布设相互垂直的单端信号(这个目前不清楚咋做)

5️⃣减小并线长度，减少长耦合走线

二、FPGA的电源供电

(1)供电要求

1️⃣单调性：带电源爬升过程中单调非负斜率(下降则为非正)，能够减小噪声。

2️⃣软启动：FPGA启动时需要特定的电流，不能爬升的太快，每一级的电源达到预定状态需要时间。

3️⃣最大最小爬升时间：最大爬升时间是保证不会久留于阈值电压附近，尽快达到逻辑电平。最小爬升时间保证不会出现浪涌电流状况。

4️⃣敏感模拟元件：需要稳定的电压，不能有太大的电压波动存在。FPGA上的PLL就需要单独的线性电压源供电。

(2)Altera的供电策略

1️⃣电源层尽量靠近FPGA，可以减少BGA过孔电感

2️⃣将Transceiver作为布局最高优先级(高速收发器含有内部调制器、电流足够低、必须分配收发器关键轨道最高优先级这三种情况除外)

3️⃣大电流电源轨道考虑：无高速收发器则大电流最高级，有则置于次优先级(核心电压则可以放于最远处)

4️⃣PLL电源及其他电源：PLL作为第三级考虑，其他电源按需分配。

三、退耦电容

(1)退耦电容的作用

利用电容的谐振频率的极小范围实现滤波，将噪声去除。

(2)计算电容值

实际电容的计算比较复杂，可以使用软件自动计算。

(3)电容的摆放

退耦电容最好的摆放就是尽可能的靠近电源或者地，保证最小的阻值和最小的感抗。

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