标题: 应对FPGA/SDI子系统中的高速板布局挑战 [打印本页]
作者: 520503 时间: 2013-10-22 19:45 标题: 应对FPGA/SDI子系统中的高速板布局挑战
关键字：FPGA SDI 高速板布局 BNC连接器
简介
电视和影院已经进入数字时代。视频图像曾以标准传输率(270Mb/s)传输，后来升级到高传输率(1.485Gb/s)，现在已上升到3Gb/s。更高传输率实现了更高分辨率的娱乐图像传输，但同时也使硬件工程师和物理布局设计师面临着更大的挑战。很多视频系统都采用多功能FPGA和多传输率SDI集成电路，以支持高性能专业视频在长距离的传输。FPGA需要高密度、细迹线宽度的传输，而高速模拟SDI传输需要阻抗匹配和信号保真。本论文概述了硬件工程师面临的挑战，并为处理这些挑战提供了建议。
FPGA/SDI子系统
在典型的FPGA/SDI板中，数字视频信号在BNC（卡拴式同轴接头）与高性能SDI75Ω迹线模拟集成电路之间传输。FPGA和SDI集成电路之间的互连包含通过FPGA细间距球栅发送的多对100Ω差分信号。其中一个布局难点是75Ω单端迹线和100Ω差分迹线的共存。通常，这两种迹线在元件所在顶层上传输。适合75Ω的迹线宽度对于100Ω迹线可能过宽。图1是FPGA/SDI的示意框图，显示75Ω和100Ω的两个区。
图1 典型FPGA/SDI框图
SDI布局难点
电影与电视工程师学会(SMPTE)发布了同轴电缆上数字视频的传输标准。规定信号幅值为800mV±10%。必须通过芯片外的75Ω±1%精确终端电阻器满足此幅值要求。SMPTE标准还包含输入和输出的回波损耗要求，基本规定了输入或输出端口如何近似于75Ω网络。图2显示SMPTE对回波损耗的要求。
图2 SDI端口和SMPTE限制值的输入回波损耗图
芯片外阻抗平衡网络由电感器和并联电阻器构成，通常用于抵消SDI集成电路的输入或输出电容。大交流耦合电容器(4.7μF)通常用于传输SDI串行位流，以避免低频直流漂移。如图3所示，75Ω迹线的SDI集成电路及其BNC连接器之间附有多个芯片外无源元件。每个元件都具有串联寄生电感，每个元件焊盘又具有并联寄生电容，从而影响与75Ω匹配的总阻抗。SDI布局的难点在于最大限度减少外部无源元件在75ΩSDI端口造成的阻抗失配。
图3 典型SDI电路（仅显示高速信号路径）
选择FPGA/SDI子系统的板堆叠
应该使用什么迹线宽度 在小于3Gb/s的SDI速度中，铜损耗很小，并不构成选择迹线宽度的重要考虑因素。选择略小于元件接合焊盘的迹线宽度更为重要，以最大限度减少阻抗失配。0402尺寸的无源元件需要20密尔x25密尔的接合焊盘，以使15密尔到20密尔的迹线宽度最适合于75ΩSDI迹线。
为了便于传输和偏斜匹配，FPGA的100Ω差分信号使用细迹线宽度传输。宽松的耦合迹线通常用于避免较大的阻抗变化，而分支出的紧密耦合迹线则连接到终端电阻器或交流耦合电容器。
图4显示了适用于FPGA和SDI信号传输的板堆叠。在此堆叠中，SDI信号迹线采用在第4层以GND2为基准的75Ω单端微带线。GND2是在第4信号层形成的金属岛。第2和第3层的金属（GND1和VCC面）在75Ω迹线区被移除，以使其不会降低迹线的特征阻抗。FPGA的100Ω差分迹线是在第2层以GND1为基准的宽松耦合微带线。两个接地基准（GND1和GND2）通过接地缝补镀通孔相连。此板堆叠排列允许通过调节绝缘长度h2自由选择75Ω迹线的宽度，以及通过调节h1自由选择100Ω迹线的宽度。
图4 具有75Ω和100Ω迹线单独接地参考的板堆叠
BNC连接器的布局
很多SDI板的常见问题是使用非优化BNC连接器布局，因此产生严重的阻抗失配、无法满足回波损耗要求，并削弱了设备的信号保真度。图5显示板的横截面，其中12密尔宽的微带线连接到50密尔宽的边沿安装BNC焊盘上。接地面被置于顶部迹线下的绝缘距离点上，以实现目标迹线阻抗。连接器的接合焊盘是宽微带线，因此焊盘的特征阻抗略低于迹线阻抗。焊盘具有较大的阻抗降，从而影响回波损耗和限制迹线的传输带宽。
图5 BNC布局的横截面图
图5还显示了通孔BNC布局的横截面。内接地和供电面与镀通孔绝缘，以避免短路。圆柱孔带有一定的电感。每个接地或供电面的镀通孔都具有寄生电容。小间隔的大镀通孔将抑制容易造成大组抗降的多余电容。图6显示具有60密尔孔和20密尔间隔的设计不佳通孔BNC的阻抗形态，图中显示了镀通孔的阻抗从75Ω迹线下降到40Ω。
图6 设计不佳的通孔BNC的阻抗形态
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