PCB上FPGA的同步開關(guān)噪聲分析

     如今CMOS技術(shù)讓一塊FPGA器件可以擁有多個(gè)I/O接口。同時(shí)，近幾年，低功耗已開始成為高速I/O接口的主流概念。降低功耗最有效的途徑就是降低電壓，而電壓降低就會(huì)導(dǎo)致I/O接口所允許的噪聲余量變小。因此，對(duì)FPGA用戶而言，量化芯片、封裝和PCB環(huán)境下的系統(tǒng)級(jí)同步開關(guān)噪聲(SSN)就顯得十分必要。

      本文對(duì)SSN進(jìn)行了系統(tǒng)性介紹，著重介紹由FPGA輸出緩沖導(dǎo)致的SSN。這種噪聲一般被稱作同步開關(guān)輸出噪聲(SSO)，與輸入緩沖導(dǎo)致的SSN不同。本文介紹了系統(tǒng)級(jí)SSO的成因，并提出了一種分層的系統(tǒng)級(jí)SSO建模方法。同時(shí)，本文還講解了如何將SSO模型與頻域和時(shí)域測(cè)量相關(guān)聯(lián)，并給出了幾種減小SSO的PCB設(shè)計(jì)方法。

      系統(tǒng)級(jí)SSO的形成機(jī)制

      帶FPGA的PCB是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，可將其分為包含有源電路的晶片部分、帶有嵌入式無(wú)源器件的支撐走線的封裝部分，和為FPGA與外部提供連接的電路板部分。在此類系統(tǒng)中，要想弄清芯片內(nèi)部的噪聲特性很困難。因此，對(duì)與FPGA相連的PCB走線近端和遠(yuǎn)端的SSO進(jìn)行量化就顯得很有價(jià)值。造成SSO的主要有兩大因素：電源分配網(wǎng)(PDN)的阻抗和開關(guān)I/O之間的互感耦合。

      從系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō)，PDN中包含晶片級(jí)、封裝級(jí)和板卡級(jí)的組件，這些組件共同為CMOS電路供電。當(dāng)一定數(shù)量的CMOS輸出驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)打開時(shí)，就會(huì)有很大電流瞬間涌入PDN的感性電路元件中，從而產(chǎn)生一個(gè)delta-I壓降。互連結(jié)構(gòu)產(chǎn)生寄生電感，例如球柵陣列封裝上的電源焊球和PCB中的電源過(guò)孔。這種快速變化的電流還會(huì)在電源/接地平面對(duì)之間激勵(lì)起放射狀的電磁波，電磁波從PCB的平面邊緣反射回來(lái)，在電源/接地平面之間產(chǎn)生諧振，從而導(dǎo)致電壓波動(dòng)。
     造成SSO的另一個(gè)重要原因是互感耦合，尤其是在芯片封裝/PCB邊沿周圍產(chǎn)生的互感耦合。芯片BGA封裝上的焊球與PCB上的過(guò)孔都屬于緊耦合的多導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。每個(gè)I/O焊球及其相應(yīng)的PCB過(guò)孔與離它最近的接地焊球和接地過(guò)孔構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)路。當(dāng)多個(gè)I/O口的狀態(tài)同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)有瞬態(tài)I/O電流流過(guò)這些信號(hào)環(huán)路。這種瞬態(tài)I/O電流又會(huì)產(chǎn)生時(shí)變的磁場(chǎng)，從而侵入鄰近的信號(hào)環(huán)路造成感應(yīng)電壓噪聲。

      一個(gè)優(yōu)秀的SSO模型應(yīng)能體現(xiàn)SSO的基本形成機(jī)制。圖1給出的就是一個(gè)用于預(yù)測(cè)PCB中SSO的分層模型。在晶片一級(jí)，我們需要的是能在有限復(fù)雜度下提供電源線和信號(hào)線上精確電流分布的輸出緩沖模型。在封裝一級(jí)，為簡(jiǎn)單起見，可利用建模工具分別得到PDN模型和信號(hào)耦合模型，但應(yīng)謹(jǐn)慎考慮PDN和信號(hào)耦合模型之間的相互影響。這兩個(gè)模型起著橋梁的作用，連接了芯片封裝上凸點(diǎn)端的輸出緩沖模型和焊球端的PCB級(jí)模型。PCB的PDN模型通常包含電源/接地平面和其上的大容量/去耦電容，而PCB的信號(hào)耦合模型中則包含一個(gè)緊耦合的過(guò)孔陣列和不同信號(hào)層上的松耦合信號(hào)走線。這兩個(gè)PCB級(jí)模型的交互效應(yīng)出現(xiàn)在PCB過(guò)孔陣列中，感性串?dāng)_正是從這里將噪聲帶入PDN模型，delta-I噪聲反過(guò)來(lái)會(huì)降低I/O信號(hào)質(zhì)量。這種分層建模方法合理地保持了仿真精度，同時(shí)也提高了此類復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算效率。

圖1：帶FPGA的PCB的SSO模型示意圖。

     通過(guò)PCB設(shè)計(jì)減小SSO

      下面針對(duì)裝有FPGA的印制電路板，介紹兩種基于SSO產(chǎn)生機(jī)制來(lái)減小SSO的基本設(shè)計(jì)方法。

1. 減小感性耦合的設(shè)計(jì)方法

      仿真結(jié)果顯示，芯片封裝/PCB接口上的感性耦合是導(dǎo)致SSO波形中高頻尖峰的元兇。一個(gè)大小為t×d的信號(hào)環(huán)路由一個(gè)信號(hào)過(guò)孔和距其最近的接地過(guò)孔組成，這個(gè)環(huán)路的大小就標(biāo)志了感性耦合的強(qiáng)弱，如圖2所示。I/O干擾環(huán)路的面積越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越容易侵入鄰近的被干擾環(huán)路。被干擾I/O信號(hào)環(huán)路的面積越大，也就更容易受其它I/O環(huán)路干擾。因此，要降低串?dāng)_和參數(shù)t，設(shè)計(jì)中就應(yīng)注意采用較薄的PCB，而且PCB上的關(guān)鍵I/O應(yīng)從較淺的信號(hào)層引出。同時(shí)，設(shè)計(jì)師還可通過(guò)縮短I/O過(guò)孔與接地過(guò)孔之間的距離來(lái)減小串?dāng)_。在圖中所示的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師專門將一對(duì)I/O焊盤連到了地平面和VCCIO平面，以減小干擾管腳和被干擾管腳相應(yīng)的信號(hào)環(huán)路面積。

圖2：信號(hào)環(huán)路的示意圖。

      為評(píng)估本方法的有效性，我們對(duì)FPGA I/O Bank1 和Bank2進(jìn)行了兩次測(cè)量，如圖3所示。這兩個(gè)Bank中的所有I/O口都配置為電流強(qiáng)度12mA的LVTTL 2.5-V接口，并通過(guò)50Ω帶狀線與10pF的電容端接。

圖3：I/O Bank 1和I/O Bank 2的管腳映射圖。

      在Bank1中，管腳AF30是被干擾管腳。在FPGA設(shè)計(jì)中，將W24、W29、AC25、AC32、AE31和AH31這6個(gè)管腳通過(guò)編程設(shè)置為邏輯“0”，它們通過(guò)過(guò)孔連接到PCB的接地平面。U28、AA24、AA26、AE28和AE30這5個(gè)管腳則通過(guò)編程設(shè)置為邏輯“1”，并連接到PCB的VCCIO平面。其它68個(gè)I/O口以10MHz頻率同時(shí)發(fā)生狀態(tài)變換，因而是產(chǎn)生干擾的管腳。為了進(jìn)行比較，Bank2中沒(méi)有將W24、W29、AC25、AC32、AE31、AH31、U28、AA24、AA26、AE28和AE30這些 I/O通過(guò)編程設(shè)置為接地腳或VCCIO腳，只是將其空置，其它68個(gè)I/O仍然同時(shí)開關(guān)，如圖3所示。

      實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示Bank1中AF30上的地彈(ground bounce)已比Bank 2中的G30降低了17%，電壓下陷(power sag)也減小了13%。仿真結(jié)果也驗(yàn)證了這一改善。由于可編程接地管腳的出現(xiàn)縮短了干擾環(huán)路和被干擾環(huán)路的距離d，因此SSO的減小是預(yù)料中的，如圖2所示。然而，由于芯片封裝中的信號(hào)環(huán)路面積無(wú)法減小，所以改善程度也有限。
2. 通過(guò)合理設(shè)計(jì)減小PDN阻抗

      PCB上接口處VCCIO和接地管腳之間的阻抗對(duì)于一塊FPGA芯片的PDN性能評(píng)估是最重要的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)采用有效的去耦策略并使用較薄的電源/接地平面對(duì)可以減小這一輸入阻抗。但最有效的方法還是縮短將VCCIO焊球連接至VCCIO平面的電源過(guò)孔的長(zhǎng)度。而且，縮短電源過(guò)孔也會(huì)減小其與鄰近接地過(guò)孔構(gòu)成的環(huán)路，從而使這一環(huán)路較不易受干擾I/O環(huán)路狀態(tài)變化的影響。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將VCCIO平面安排在離PCB頂層更近的位置。

      本文小結(jié)

      本文對(duì)裝有FPGA的PCB上的同步開關(guān)噪聲仿真進(jìn)行了全面分析。分析結(jié)果表明，封裝和PCB接口上的串?dāng)_與封裝和PCB上的PDN阻抗分布是SSO的兩個(gè)重要成因。

      相關(guān)模型可用于幫助PCB設(shè)計(jì)師減小SSO，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的PCB設(shè)計(jì)。文中還介紹了幾種降低SSO的方法。其中，合理分配信號(hào)層并充分利用可編程的接地/電源管腳可幫助減小PCB級(jí)的感性串?dāng)_，將VCCIO安排在PCB疊層中較淺的位置也可降低PDN阻抗。