FPGA上同步開(kāi)關(guān)噪聲的分析

　　隨著(zhù)半導體技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)FPGA 的器件容量和輸入輸出的管腳數量都極大的增加了，例如StratixIV 器件，最大的一款EP4SE680 擁有68.11 萬(wàn)個(gè)邏輯單元和1104個(gè)輸入輸出管腳。大量的輸出管腳在同一時(shí)刻翻轉會(huì )引起同步切換噪聲。目前同步切換噪聲是FPGA 領(lǐng)域的一個(gè)新的挑戰。

　　同步切換噪聲的定義

　　當大量的輸出管腳在同一個(gè)時(shí)刻從高電平到低電平的切換或者從低電平到高電平的切換，會(huì )在相鄰的管腳上引入噪聲，這就是同步切換噪聲。典型的一個(gè)同步切換噪聲的測試設置如圖。設置中，FPGA 器件的輸入輸出的電平標準配置為SSTL18 ClassII。多個(gè)在同一時(shí)刻不斷翻轉的輸出管腳定義為干擾者。一個(gè)保持為高或者低的輸出管腳定義為被干擾者。干擾者和被干擾者典型的容性負載值為10pF。干擾者以同一個(gè)時(shí)鐘信號的邊沿作為觸發(fā)。

　　當干擾者信號同時(shí)從低電平到高電平切換時(shí)，在被干擾者信號上會(huì )觀(guān)測到一個(gè)負電壓的噪聲。當干擾者信號同時(shí)從高電平到低電平切換時(shí)，在被干擾者信號上會(huì )觀(guān)測到一個(gè)正電壓的噪聲。

　　隨著(zhù)干擾者信號數量的增加，噪聲的幅度也會(huì )隨著(zhù)增加。在相同數量的干擾者情況下，如果把被干擾者遠離干擾者，噪聲的幅度會(huì )有所降低。

　　同步切換噪聲的機制

　　不同于一般的信號完整性問(wèn)題，同步切換噪聲是由多個(gè)噪聲機制共同作用的結果。在其中，目前一般認為同步切換噪聲主要是由兩種機制共同作用造成的。

　　1．電源網(wǎng)絡(luò )的Delta-I 噪聲

　　當信號從低電平切換到高電平,上拉驅動(dòng)器打開(kāi)同時(shí)下拉驅動(dòng)器關(guān)斷。電流從Vccio 開(kāi)始流通，電流環(huán)路是從電源到器件芯片的供電回路。由于電源網(wǎng)絡(luò )的電感特性，會(huì )遏制電流立刻到達器件芯片。因此在Vccio 上會(huì )有一定的壓降。這就是電源網(wǎng)絡(luò )的Delta-I噪聲。

　　電源網(wǎng)絡(luò )的Delta-I 噪聲可以表示為：

Δv = L dI/dt

　　其中，L為封裝和PCB上的串行電感。dI/dt是當電平翻轉時(shí)的電流。

　　2．互感性的信號串繞

　　這里所說(shuō)的串繞，主要是指發(fā)生在芯片封裝上和在器件的引出過(guò)孔區域的互感性的串繞。

　　在器件的封裝和器件的引出過(guò)孔區域，器件的所有輸入輸出管腳以平行的緊耦合的形式在這個(gè)小區域內存在。

　　每個(gè)輸出管腳的焊球，相應的PCB 過(guò)孔以及附近的電源或者地的管腳會(huì )形成一個(gè)回路。而多個(gè)相鄰的輸出管腳會(huì )共用一個(gè)電源或者地的回路。它們不可避免的會(huì )發(fā)生互感性的串繞。當多個(gè)輸出管腳同時(shí)翻轉，會(huì )有瞬態(tài)的電流流過(guò)回路。瞬態(tài)的電流必然會(huì )導致對相鄰的管腳上產(chǎn)生互感性的串繞。

　　互感性的串繞可以表示為：

Δv’ = ΣMiq di/dt

　　其中，Miq 是被干擾者與每一個(gè)干擾者之間的互感系數。dI/dt 是當電平翻轉時(shí)的電流。

　　同步切換噪聲信號的分析

　　同步切換噪聲是由兩種機制獨立并且同時(shí)作用，我們也可以從同步切換噪聲信號中分析出來(lái)。

　　我們以一個(gè)上升沿時(shí)間為T(mén)r，周期為T(mén) 的時(shí)鐘信號作為參考。把這樣的時(shí)鐘信號通過(guò)傅利葉變換到頻域空間，得到它的頻譜。分析它的頻譜，0.35/Tr 是信號的膝頻率點(diǎn)。頻率低于膝頻率點(diǎn)的信號能量以20dB 的速度衰減，而頻率高于膝頻率點(diǎn)的信號能量以40dB 的速度急劇衰減。

　　對于同步切換噪聲的信號，我們可以通過(guò)示波器得到相應的波形，相應的變換到頻域空間。我們可以看到同步切換噪聲信號的頻譜上有兩個(gè)能量峰，其中一個(gè)位于頻率較低的部分，另外一個(gè)位于頻率較高的部分。

　　回顧同步信號切換噪聲的發(fā)生機制，頻率較低的部分是由電源網(wǎng)絡(luò )的Delta-I 噪聲引起的。而頻率較高的部分是由互感性的信號串繞引起的。通常來(lái)說(shuō)，電源網(wǎng)絡(luò )的Delta-I 噪聲的頻率位于200Mhz 附近，這個(gè)取決于電源網(wǎng)絡(luò )的阻抗特性。

　　互感性的信號串繞的頻率較高，一般說(shuō)來(lái)，位于1Ghz 以上的頻率，取決于傳輸線(xiàn)的長(cháng)度和特征參數。

　　所以基于以上的分析考慮，對于同步切換噪聲的測試要求是需要3Ghz 帶寬以上的實(shí)時(shí)示波器。

　　關(guān)鍵因素的分析

　　1．PCB 的引出過(guò)孔區域

　　PCB 的引出過(guò)孔區域包括封裝的焊球，PCB 上的過(guò)孔。在這個(gè)區域內對同步切換噪聲的兩個(gè)機制都有主要的作用。有兩個(gè)因素值得注意：封裝的焊球，PCB 上的過(guò)孔是引入串行電感的主要因素。有大量的輸入輸出信號平行的位于這個(gè)狹小的區域也是串繞發(fā)生的區域。