PCB Блог - Технология проектирования печатных плат на базе высокоскоростных FPGA

Как было бы замечательно, если бы дизайн высокоскоростной  печатных плат мог быть таким же простым, как подключение узлов схемы, и таким же красивым, как это выглядит на мониторе компьютера. Однако, если проектировщики не являются новичками в проектировании печатных плат или им не очень повезло, фактический дизайн печатной платы обычно не так прост, как проектирование схем, которым они занимаются. Разработчики печатных плат сталкиваются со многими новыми проблемами, пока дизайн наконец не заработает, и кто-то не сможет подтвердить его производительность. Именно таково текущее состояние проектирования высокоскоростных печатных плат — правила проектирования и рекомендации по проектированию постоянно развиваются, и если вам повезет, они приведут к успешному решению. Подавляющее большинство печатных плат составляют разработчики схем, которые хорошо разбираются в принципах работы и взаимодействии компонентов печатных плат, а также в различных стандартах передачи данных, которые представляют собой ввод и вывод печатной платы. Результат совместной работы проектировщиков макетов над тем, что происходит при преобразовании проводов в медные провода печатной платы. Часто разработчик схемы несет ответственность за успех или неудачу окончательной платы. Однако чем больше проектировщик схем знает о методах компоновки, тем больше у него возможностей избежать серьезных проблем. Если проект включает в себя высокую плотность FPGA, перед хорошо спроектированной схемой, вероятно, будет много проблем. Включая сотни входных и выходных портов, рабочие частоты свыше 500 МГц (возможно, выше в некоторых конструкциях), расстояние между шариками припоя всего полмиллиметра и т. д. взаимное влияние.

Параллельный шум переключения

Проблема, вероятно, будет заключаться в том, что известно как одновременный коммутационный шум (SSN) или одновременный коммутационный выход (SSO). Большой объем высокочастотных потоков данных создаст такие проблемы, как звонки и перекрестные помехи на линиях данных, а также дребезг земли и шум источника питания на плоскостях питания и заземления, которые влияют на общую производительность платы. Чтобы устранить звонки и перекрестные помехи на высокоскоростных линиях передачи данных, хорошим шагом будет переход на дифференциальную сигнализацию. Поскольку один провод дифференциальной пары является приемником, а другой — источником, индуктивные эффекты практически исключены. При передаче данных с использованием дифференциальных пар это помогает уменьшить шум «дребезга» от наведенных токов в обратном пути, поскольку ток остается локальным. Для радиочастот до сотен МГц или даже нескольких ГГц теория сигналов предполагает, что мощность сигнала может передаваться при согласовании импедансов. Когда линия передачи плохо согласована, будут отражения, только часть сигнала будет передана от отправителя к получателю, в то время как другие части будут отражаться между отправителем и получателем. Насколько хорошо дифференциальный сигнал реализован на печатной плате, будет играть большую роль в согласовании импедансов (среди прочего).

Дизайн дифференциальной трассы

Конструкция дифференциальной трассы основана на принципе печатной платы с регулируемым импедансом. Его модель чем-то напоминает коаксиальный кабель. На печатной плате с регулируемым импедансом металлический плоский слой действует как экран, изолятор представляет собой ламинат FR4, а проводники представляют собой пары сигнальных дорожек (см. рис. 1). Средняя диэлектрическая проницаемость FR4 составляет от 4,2 до 4,5. Незнание производственных ошибок может привести к чрезмерному травлению медных линий, что в конечном итоге приведет к ошибкам импеданса. Метод расчета импеданса дорожки печатной платы заключается в использовании программы полевого анализа (обычно двумерной, иногда трехмерной), которая требует использования конечных элементов для непосредственного решения уравнений Максвелла для всей партии печатной платы. Программное обеспечение может анализировать эффекты электромагнитных помех на основе расстояния между дорожками, ширины дорожек, толщины дорожек и высоты изоляции. Характеристическое сопротивление 100 Ом стало отраслевым стандартом для дифференциальных соединительных кабелей. Дифференциальную линию 100 Ом можно составить из двух несимметричных линий 50 Ом одинаковой длины. Поскольку две дорожки расположены близко друг к другу, связь полей между дорожками уменьшит импеданс трасс в дифференциальном режиме. Чтобы сохранить импеданс 100 Ом, необходимо немного уменьшить ширину дорожки. В результате синфазное сопротивление каждого провода в дифференциальной паре 100 Ом будет несколько выше 50 Ом. Теоретически размер дорожки и используемый материал определяют импеданс, но переходные отверстия, разъемы и даже контактные площадки устройств будут вносить неоднородности импеданса на пути прохождения сигнала. Обычно без этих вещей не обойтись. Иногда для более разумной компоновки и разводки необходимо увеличить количество слоев на печатной плате или добавить такие функции, как скрытые переходные отверстия. Скрытые переходные отверстия соединяют только некоторые слои печатной платы, но, решая проблему линий передачи, они также увеличивают стоимость изготовления платы. Но иногда выбора нет вообще. По мере того, как скорость передачи сигналов увеличивается, а пространство уменьшается, начинают расти дополнительные требования, такие как скрытые переходные отверстия, и это должно быть фактором стоимости решений для печатных плат. При полосковой разводке сигналы прокладываются материалом FR-4. В микрополосковой линии проводник контактирует с воздухом. Из-за диэлектрической проницаемости воздуха (Er=1) верхний слой подходит для маршрутизации некоторых критических сигналов, таких как тактовые сигналы или высокочастотные сигналы SERial-DESerial (SERDES). Микрополосковая трасса должна быть соединена с нижележащим заземляющим слоем, который снижает электромагнитные помехи (EMI) за счет поглощения некоторых линий электромагнитного поля. В полосковой линии все линии электромагнитного поля соединены с опорной плоскостью сверху и снизу, что значительно снижает электромагнитные помехи. Если возможно, вы должны стараться не использовать конструкции полосковых линий с поперечной связью. Эта структура чувствительна к дифференциальному шуму, связанному с опорной плоскостью. Кроме того, требуется сбалансированное изготовление печатной платы, которое трудно контролировать. В общем, относительно легко контролировать расстояние между строками на одном и том же слое.

Развязывающие и обходные конденсаторы

Другим важным аспектом определения того, соответствует ли фактическая производительность печатной платы ожидаемому, является контроль путем добавления развязывающих и обходных конденсаторов. Добавление развязывающих конденсаторов помогает уменьшить индуктивность между слоями питания и земли на печатной плате и помогает контролировать импеданс сигналов и ИС по всей печатной плате. Байпасные конденсаторы помогают обеспечить чистое питание ПЛИС (обеспечивают зарядную батарею). Традиционное правило заключается в том, что развязывающие конденсаторы должны размещаться там, где удобна разводка печатной платы, а количество выводов питания ПЛИС определяет количество развязывающих конденсаторов. Однако сверхвысокая скорость переключения ПЛИС полностью ломает этот стереотип. В типичной конструкции платы ПЛИС конденсатор, расположенный рядом с источником питания, обеспечивает частотную компенсацию изменений тока в нагрузке. Чтобы обеспечить фильтрацию низких частот и предотвратить падение напряжения питания, используйте большие развязывающие конденсаторы. Падение напряжения связано с запаздыванием реакции регулятора при запуске расчетной схемы. Такие большие конденсаторы обычно представляют собой электролитические конденсаторы с лучшими низкочастотными характеристиками, а их частотная характеристика колеблется от постоянного тока до нескольких сотен кГц. Каждое изменение выхода ПЛИС требует зарядки и разрядки сигнальных линий, что требует энергии. Функция обходного конденсатора заключается в обеспечении локального накопления энергии в широком диапазоне частот. Кроме того, для обеспечения высокоскоростного тока при высокочастотных переходных процессах требуются небольшие конденсаторы с малой последовательной индуктивностью. Медленно реагирующий большой конденсатор продолжает подавать ток после того, как энергия высокочастотного конденсатора израсходована. Большое количество переходных процессов на шине питания увеличивает сложность конструкции FPGA. Такие переходные процессы обычно связаны с SSO/SSN. Установка конденсаторов с очень низкой индуктивностью обеспечит локальную высокочастотную энергию, которую можно использовать для подавления шумов коммутационного тока на шине питания. Этот развязывающий конденсатор, препятствующий попаданию высокочастотных токов в блок питания устройства, должен располагаться очень близко к ПЛИС (менее 1см). Иногда несколько небольших конденсаторов соединены вместе параллельно, чтобы действовать как локальное хранилище энергии для устройства и быстро реагировать на изменяющиеся потребности в токе. Как правило, дорожки для развязывающих конденсаторов должны быть короткими, включая вертикальные расстояния в переходных отверстиях. Добавление даже небольшого количества увеличит индуктивность провода, уменьшая эффект развязки.

другие технологии

По мере увеличения скорости передачи данных становится все труднее легко передавать данные между печатными платами. Для дальнейшего улучшения характеристик печатной платы можно использовать несколько других методов. Первый и очевидный способ — простая компоновка устройства. Разумно проектировать короткие и прямые пути для важных соединений, но не стоит недооценивать это. Зачем утруждать себя настройкой сигналов на доске, когда простые стратегии могут помочь? Почти столь же краткий подход заключается в рассмотрении ширины сигнальных линий. Когда скорость передачи данных достигает 622 МГц и даже выше, скин-эффект передачи сигналов становится все более и более заметным. Когда расстояние большое, очень тонкие дорожки (например, 4 или 5 мил) на печатной плате будут формировать большое затухание сигнала, точно так же, как фильтр нижних частот без затухания, его затухание увеличивается с частотой. Чем длиннее объединительная плата, тем выше частота и тем шире должна быть сигнальная линия. Для дорожек объединительной платы длиннее 20 дюймов ширина дорожки должна быть 10 или 12 мил. Обычно критическим сигналом на плате является тактовый сигнал. Когда линии тактовых импульсов слишком длинные или плохо спроектированы, они могут усиливать джиттер и перекосы в нисходящем направлении, особенно при увеличении скорости. Следует избегать использования нескольких слоев для передачи тактового сигнала, а на линиях тактового сигнала не должно быть переходных отверстий, поскольку переходные отверстия увеличивают колебания импеданса и отражения. Если для маршрутизации часов необходимо использовать внутренний уровень, то верхний и нижний уровни должны использовать наземные плоскости для уменьшения задержки. При проектировании с FPGA PLL шум на силовых плоскостях может увеличить джиттер PLL. Если это критично, для PLL можно создать «остров питания», который можно использовать для изоляции аналоговых и цифровых источников питания PLL с помощью более толстых гравировок на металлических плоскостях.

Для сигналов со скоростью выше 2 Гбит/с необходимо рассмотреть более дорогое решение. На таких высоких частотах толщина объединительной платы и конструкция переходного отверстия могут оказывать существенное влияние на целостность сигнала. Хорошо работает, когда толщина подложки не превышает 0,200 дюйма. Когда на печатной плате используются высокоскоростные сигналы, количество слоев должно быть как можно меньше, чтобы ограничить количество переходных отверстий. В толстых платах переходные отверстия, соединяющие сигнальные слои, длиннее и образуют ответвления линии передачи на пути прохождения сигнала. Использование скрытых переходных отверстий может решить эту проблему, но стоимость изготовления высока. Другим вариантом является использование диэлектрического материала с низкими потерями, такого как Rogers 4350, GETEK или ARLON. Эти материалы могут быть почти в два раза дороже материалов FR4, но иногда это правильный выбор. Существуют и другие методы проектирования FPGA, которые обеспечивают некоторый выбор мест ввода/вывода. В критически важных высокоскоростных конструкциях SERDES входы/выходы SERDES могут быть изолированы путем резервирования (но не использования) соседних контактов ввода/вывода. Например, шаровая область BGA 3x3 или 5x5 может быть зарезервирована относительно SERDES Rx и Tx, VCCRX# и VCCTX# и положения шара. Или, если возможно, держите всю группу ввода-вывода рядом с SERDES. Если в проекте нет ограничений ввода-вывода, эти методы могут принести пользу без дополнительных затрат. Также одним из способов является обращение к эталонной плате, предоставленной производителем ПЛИС. Большинство производителей предоставляют информацию об исходном макете для эталонных плат, хотя могут потребоваться специальные запросы из-за проблем с конфиденциальной информацией. Эти платы часто содержат стандартные высокоскоростные интерфейсы ввода-вывода, которые необходимы производителям ПЛИС для характеристики своих устройств. Имейте в виду, однако, что эти платы часто предназначены для нескольких целей и могут не соответствовать конкретным требованиям дизайна. Тем не менее, их можно использовать в качестве отправной точки для создания решений.

Резюме этой статьи

Конечно, в этой статье затронуты только некоторые основные понятия. Любая из затронутых здесь тем может быть рассмотрена в целой книге. Ключ в том, чтобы выяснить, какова цель, прежде чем вкладывать много времени и усилий в проектирование компоновки печатной платы. После завершения макета редизайн может стоить много времени и денег, даже с небольшой корректировкой ширины дорожек. Вы не можете полагаться на инженеров по компоновке печатных плат, чтобы они создавали конструкции, отвечающие реальным потребностям. Разработчик схем всегда готов предоставить рекомендации, сделать разумный выбор и взять на себя ответственность за успех решения.