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隨著現場可編程門陣列(FPGA)已發展成為真正的可編程系統級芯片，利用這些芯片設計印制電路板(PCB)的任務變得愈加復雜。目前動輒數百萬門的電路密度和6Gbps以上的收發器數據傳輸率及其它考慮事項影響著系統開發人員在機械和電氣方面的板級設計工作。裸片、芯片封裝和電路板構成了一個緊密連結的系統，在這個系統中，要完全實現FPGA的功能，需要對PCB板進行精心設計。采用高速FPGA進行設計時，在板開發之前和開發期間對若干設計問題進行考慮是十分重要的。其中包括：通過濾波和在PCB板上的所有器件上均勻分配足夠功率來減小系統噪聲；正確端結信號線，以把反射減至最小；把板上跡線之間的串擾降至最低；減小接地反彈和Vcc降低(也稱為Vcc凹陷)的影響；正確匹配高速信號線上的阻抗。任何人在為性能極高的FPGA設計IC封裝時，都必須特別注意信號完整性和適于所有用戶和應用的多功能性之間的平衡問題。例如，Altera最大的StratixIIGX器件采用1,508引腳封裝，工作電壓低至1.2V，并具有734個標準I/O、71個低壓差分信令(LVDS)信道。它還有20個高速收發器，支持高達6.375Gbps的數據率。這就讓該架構能夠支持許多高速網絡和通信總線標準，包括PCIExpress和SerialLiteII。在設計中，用戶可以通過優化引腳排列來減少串擾。信號引腳應該盡可能靠近接地引腳，以縮短封裝內的環路長度，尤其是重要的高速I/O。在高速系統中，主要的串擾源是封裝內信號路徑之間的電感耦合。當輸出轉換時，信號必須找到通過電源/接地平面的返回路徑。環路中的電流變化產生磁場，從而在環路附近的其它I/O引腳上引起噪聲。同時轉換輸出時，這種情形加劇。因為環路越小，感應就越小，故電源或接地引腳靠近每個高速信號引腳的封裝可以把附近I/O引腳上的串擾影響減至最小。為了把電路板成本降至最低，并把所有信號路徑的系統信號完整性提高到最大，需要對電路板材料、分層數目(堆疊)和版圖進行精心的設計和構建。把數百個信號從FPGA發送到板上或其周圍是一個很困難的任務，需要使用EDA工具來優化引腳的排列和芯片的布局。有時采用稍微大點的FPGA封裝能夠降低板成本，因為它可以減少電路板的層數及其它的板加工限制。PCB板上的一條高速信號路徑，由一條板上跡線代表，其對中斷非常敏感，如電路板層和電路板連接器之間的通孔。這些及其它中斷都會降低信號的邊緣速率，造成反射。因此，設計人員應該避免通孔和通孔根(viastub)。如果通孔是不可避免的，應讓通孔引線盡可能地短。對差分信號進行布線時，讓差分對的每一條路徑使用一個相同結構的通孔；這就讓通孔引起的信號中斷處于共模中。如果可能的話，在常規通孔處使用盲孔。或使用反鉆，因為通孔根的損耗導致的中斷會更少。為了改善時鐘信號的信號完整性，應該遵循以下原則：在時鐘信號被發送到板上元件之前，盡可能將之保持在單個板層上；始終以一個平面作為最小參考面。沿鄰近接地平面的內層發送快速邊緣信號，以控制阻抗，減小電磁干擾。正確端結時鐘信號，以把反射降至最小。最好使用點對點時鐘跡線。圖1：將串擾降至最低的指導原則。某些FPGA，如StratixIIGX系列，帶有支持數種I/O標準的片上串聯端接電阻。這些片上電阻可被設置為25歐姆或50歐姆的單端電阻，支持LVTTL、LVCMOS和SSTL-18或SSTL-2單端I/O標準；此外，還支持100歐姆的LVDS和HyperTransport輸入端片上差分匹配電阻。差分收發器I/O帶有可編程為100、120或150歐姆的片上電阻，并可自動校準是反射最小化。利用內部電阻代替外部器件對系統有好幾個好處。片上端接可以消除引線的影響，并使傳輸線上的反射最小，從而提高信號完整性。片上端接還使所需的外部元件被減至最少，設計人員可以使用較少的電阻、較少的板線跡，減小板空間。這樣一來，就可以簡化版圖，縮短設計周期，降低系統成本。由于板上元件較少，電路板可靠性也得以增強。串擾抑制電路板設計中，為了盡量減少串擾，微帶線和帶狀線的布線可以遵循幾種指導原則。對于雙帶線版圖，布線是在兩層內板上進行，兩面都有一個電壓參考面，這時最好所有鄰近層板的導線都采用正交布線技術，盡量增大兩個信號層之間的介質材料厚度，并最小化每個信號層與其鄰近參考平面間的距離，同時保持所需要的阻抗。微帶線或帶狀線布線指導原則線跡間距至少三倍于電路板布線層間介質層的厚度；最好使用仿真工具預先模擬其行為。對臨界高速網絡用差分代替單端拓撲，以把共模噪聲的影響減至最小。在設計限度內，盡量匹配差分信號路徑的正負引腳。減小單端信號的耦合效應，留有適當間隔(大于三倍的線跡寬度)，或者是在不同板層上布線(鄰近層布線彼此正交)。此外，使用仿真工具也是滿足間距要求的一個好辦法。把信號端接信號間的并行長度減至最短。同時轉換噪聲時鐘和I/O數據速率提高時，輸出轉換次數相應減少，信號路徑放電充電期間的瞬態電流隨之增大。這些電流可能造成板級接地彈跳現象，即接地電壓/Vcc瞬間上升/下降。非理想電源的大瞬態電流會導致Vcc的瞬間下降(Vcc下降或凹陷)。下面給出了幾條很好的板設計規則，有助于減少這些同時轉換噪聲的影響。圖2：圖為可用I/O被完全利用時推薦的信號、電源和接地層數目。把不用的I/O引腳配置為輸出引腳，并低電壓驅動，以減小接地彈跳。盡量減少同時轉換輸出引腳的數目，并使它們在整個FPGAI/O部分均勻分配。不需要高邊緣速率時，FPGA輸出端選用低壓擺率。把Vcc安插到多層板的接地平面之間，以消除高速線跡對各層的影響。把全部板層都用于Vcc和接地可使這些平面的電阻和電感最小，從而提供一個電容和噪聲更低的低電感源，并在鄰近這些平面的信號層上返回邏輯信號。預加重、均衡最先進的FPGA所具有的高速收發器能力，讓它們成為高效的可編程系統級芯片元件，同時也為電路板設計人員帶來了獨特的挑戰。一個關鍵問題，尤其與版圖有關的，是與頻率相關的傳輸損耗，主要由趨膚效應和介電損耗引起。當高頻信號在導體表面(比如PCB跡線)傳輸時，由于導線的自感，就會產生趨膚效應。這種效應減小了導線的有效傳導面積，削弱了信號的高頻分量。介電損耗是由板層之間介質材料的電容效應所造成的。趨膚效應與頻率的平方根成比例，而介電損耗與頻率成比例；因此，介電損耗是高頻信號衰減的主要損耗機制。數據速率越高，趨膚效應和介電損耗就越嚴重。對1Gbps的系統，鏈路上信號電平的降低尚可接受，但在6Gbps的系統上就不能接受了。不過，現在的收發器具有發射器預加重(pre-emphasis)和接收器均衡(equalization)功能，可以補償高頻信道的失真。它們還可增強信號完整性，放寬線跡長度的限制。這些信號調節技術延長了標準FR-4材料的壽命，能支持更高的數據率。由于FR-4材料中的信號衰減，在以6.375Gbps的速率工作時，允許的跡線長度被限制在幾英寸范圍。而預加重和均衡功能可以將之延長到40多英寸。某些高性能FPGA中集成有可編程預加重及均衡功能，如StratixIIGX器件，故其能采用FR-4材料，并放寬最大跡線長度等版圖限制，降低電路板成本。預加重功能可有效提升信號的高頻分量。StratixIIGX中的4抽頭預加重電路能減小信號分量的散射(從一位擴散到另一位的空間)。預加重電路可提供最大500%的預加重，根據數據率、跡線長度和鏈路特性，每個抽頭可被優化到最大16級。StratixIIGX接收器包含一個增益級和線性均衡器，可補償信號衰減。除了輸入增益級之外，該器件還讓電路板設計人員擁有最大17dB的均衡水平，可利用16個均衡器級中的任意一級來克服板損耗的問題。均衡和預加重功能可用于音樂會環境或用于單獨優化特定鏈路。在系統運行時，或者是在其插入到背板或其它底盤之后進行卡配置時，設計人員可以改變StratixIIGXFPGA中的預加重和均衡級。這就給予了系統設計人員自動把預加重和均衡級設置為預定值的靈活性。另外，根據板子被插入到底盤或背板上的哪一個插槽，也可以動態確定這些值。EMI問題和調試印制電路板引起的電磁干擾與電流或電壓隨時間的變化，以及電路的串聯電感直接成比例。高效的電路板設計有可能把EMI最小化，但不一定完全消除。消除入侵者或熱信號，以及適當參考接地平面發送信號，也有助于減少EMI。最后，采用當今市場很常見的表面貼裝元件也是減少EMI的一種方法。調試和測試復雜的高速PCB設計已越來越困難，因為某些傳統的板調試方法，比如測試探針和針床式(Bed-of-nails)測試儀，可能不適用于這些設計。這種新型的高速設計可以利用具有系統內編程功能的JTAG測試工具和FPGA可能帶有的內建自測試功能。設計人員應該使用相同的指導方針來設置JTAG測試時鐘輸入(TCK)信號作為系統時鐘。此外，把一個器件的測試數據輸出和另一個器件的測試數據輸入之間的JTAG掃描鏈線跡長度減至最短也是相當重要的。要利用嵌入式高速FPGA進行成功的設計，需要充沛的高速板設計實踐，以及對FPGA功能的充分了解，如引腳安排、電路板材料和堆疊、電路板布局，以及終端模式等的了解。內建收發器的預加重(pre-emphasis)和均衡功能的合理使用也很重要。上述幾點結合起來就可以實現一個具有穩定的可制造性的可靠設計。所有這些因素的仔細考量，加上正確的仿真和分析，就可以把電路板原型中發生意外的可能性降至最小，并將有助于減輕電路板開發項目的壓力。作者：JoelMartinez高密度FPGA產品高級產品行銷經理Altera公司

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