應(yīng)對(duì)FPGA/SDI子系統(tǒng)中的高速板布局挑戰(zhàn)

簡(jiǎn)介

電視和影院已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字時(shí)代。視頻圖像曾以標(biāo)準(zhǔn)傳輸率(270Mb/s)傳輸，后來升級(jí)到高傳輸率(1.485Gb/s)，現(xiàn)在已上升到3Gb/s。更高傳輸率實(shí)現(xiàn)了更高分辨率的娛樂圖像傳輸，但同時(shí)也使硬件工程師和物理布局設(shè)計(jì)師面臨著更大的挑戰(zhàn)。很多視頻系統(tǒng)都采用多功能FPGA和多傳輸率SDI集成電路，以支持高性能專業(yè)視頻在長(zhǎng)距離的傳輸。FPGA需要高密度、細(xì)跡線寬度的傳輸，而高速模擬SDI傳輸需要阻抗匹配和信號(hào)保真。本論文概述了硬件工程師面臨的挑戰(zhàn)，并為處理這些挑戰(zhàn)提供了建議。

FPGA/SDI子系統(tǒng)

在典型的FPGA/SDI板中，數(shù)字視頻信號(hào)在BNC（卡拴式同軸接頭）與高性能SDI75跡線模擬集成電路之間傳輸。FPGA和SDI集成電路之間的互連包含通過FPGA細(xì)間距球柵發(fā)送的多對(duì)100差分信號(hào)。其中一個(gè)布局難點(diǎn)是75單端跡線和100差分跡線的共存。通常，這兩種跡線在元件所在頂層上傳輸。適合75的跡線寬度對(duì)于100跡線可能過寬。圖1是FPGA/SDI的示意框圖，顯示75和100的兩個(gè)區(qū)。


圖1 典型FPGA/SDI框圖

SDI布局難點(diǎn)

電影與電視工程師學(xué)會(huì)(SMPTE)發(fā)布了同軸電纜上數(shù)字視頻的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定信號(hào)幅值為800mV±10%。必須通過芯片外的75±1%精確終端電阻器滿足此幅值要求。SMPTE標(biāo)準(zhǔn)還包含輸入和輸出的回波損耗要求，基本規(guī)定了輸入或輸出端口如何近似于75網(wǎng)絡(luò)。圖2顯示SMPTE對(duì)回波損耗的要求。

芯片外阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)由電感器和并聯(lián)電阻器構(gòu)成，通常用于抵消SDI集成電路的輸入或輸出電容。大交流耦合電容器(4.7µF)通常用于傳輸SDI串行位流，以避免低頻直流漂移。如圖3所示，75跡線的SDI集成電路及其BNC連接器之間附有多個(gè)芯片外無源元件。每個(gè)元件都具有串聯(lián)寄生電感，每個(gè)元件焊盤又具有并聯(lián)寄生電容，從而影響與75匹配的總阻抗。SDI布局的難點(diǎn)在于最大限度減少外部無源元件在75SDI端口造成的阻抗失配。

選擇FPGA/SDI子系統(tǒng)的板堆疊

應(yīng)該使用什么跡線寬度 在小于3Gb/s的SDI速度中，銅損耗很小，并不構(gòu)成選擇跡線寬度的重要考慮因素。選擇略小于元件接合焊盤的跡線寬度更為重要，以最大限度減少阻抗失配。0402尺寸的無源元件需要20密爾x25密爾的接合焊盤，以使15密爾到20密爾的跡線寬度最適合于75SDI跡線。

為了便于傳輸和偏斜匹配，F(xiàn)PGA的100差分信號(hào)使用細(xì)跡線寬度傳輸。寬松的耦合跡線通常用于避免較大的阻抗變化，而分支出的緊密耦合跡線則連接到終端電阻器或交流耦合電容器。

圖4顯示了適用于FPGA和SDI信號(hào)傳輸?shù)陌宥询B。在此堆疊中，SDI信號(hào)跡線采用在第4層以GND2為基準(zhǔn)的75單端微帶線。GND2是在第4信號(hào)層形成的金屬島。第2和第3層的金屬（GND1和VCC面）在75跡線區(qū)被移除，以使其不會(huì)降低跡線的特征阻抗。FPGA的100差分跡線是在第2層以GND1為基準(zhǔn)的寬松耦合微帶線。兩個(gè)接地基準(zhǔn)（GND1和GND2）通過接地縫補(bǔ)鍍通孔相連。此板堆疊排列允許通過調(diào)節(jié)絕緣長(zhǎng)度h2自由選擇75跡線的寬度，以及通過調(diào)節(jié)h1自由選擇100跡線的寬度。