接口控制單元FPGA主時(shí)鐘電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)某接收模塊偶發(fā)故障的情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)接口控制單元的FPGA器件主時(shí)鐘電路存在設(shè)計(jì)隱患。本文對(duì)某接收模塊接口控制單元的時(shí)鐘電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，電路優(yōu)化整改有效。

關(guān)鍵詞：電路優(yōu)化;FPGA器件;時(shí)鐘電路

引言

近年來，隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)綜合化提升，當(dāng)產(chǎn)品中多個(gè)模塊需要時(shí)鐘輸入時(shí)，分機(jī)會(huì)提供一個(gè)頻率源模塊分別給各個(gè)射頻模塊提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)。各射頻模塊根據(jù)設(shè)計(jì)將時(shí)鐘信號(hào)合成自身所需的頻率和幅度。這種設(shè)計(jì)方法有效的保障了分機(jī)中時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性。

某接收模塊時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)方案

綜合分機(jī)提供給某接收模塊的100MHz主時(shí)鐘幅度為50mV，該時(shí)鐘供給某接收模塊信道單元頻率合成電路和接口控制單元使用。接口控制單元收到100MHz主時(shí)鐘由于幅度較小，需經(jīng)過放大后送給FPGA（EP3C40U484I7）器件作為主時(shí)鐘。時(shí)鐘放大器選擇NEC公司的UPC2745TB芯片，其輸入輸出阻抗均為50Ω，增益為12dB。

如圖1所示，輸入的100MHz主時(shí)鐘經(jīng)放大器UPC2745放大后，送給1：1變壓器ADT1-1WT變?yōu)椴罘中盘?hào)，兩路差分信號(hào)在通過0.1uF的隔直電容（C118、C119）及22pF的濾波電容（C146、C147）處理后送給ALTERA公司FPGA器件（EP3C40U484I7）作為其FPGA器件工作的主時(shí)鐘。變壓器ADT1-1WT的標(biāo)稱漏感在25nH至100nH范圍內(nèi)，再加上（C146、C147）22pF的輸入濾波電容將產(chǎn)生一個(gè)位于110MHz至215MHz之間的諧振頻率，當(dāng)輸入干擾信號(hào)的頻率越靠近電容的自諧振頻率，干擾信號(hào)越容易被電容徹底過濾掉。小容值的電容通常等效電感也小，因此自諧振頻率較大，所以適用于濾除高頻干擾噪聲。差分時(shí)鐘信號(hào)的差模電壓、共模電壓、阻抗匹配等若不滿足FPGA差分時(shí)鐘的要求，都會(huì)引起FPGA器件工作不正常，從而會(huì)導(dǎo)致接口單元故障。

由于接口控制單元FPGA主時(shí)鐘采用差分輸入，通過查詢FPGA（EP3C40U484I7）相關(guān)資料，如圖2所示。

根據(jù)資料顯示，F(xiàn)PGA采用差分輸入時(shí)鐘時(shí)，其差模輸入電壓V_ID最小輸入要求為100mV、共模輸入電壓V_ICM在時(shí)鐘輸入速率小于500Mbps時(shí)，最小輸入要求為0.05V。再用示波器對(duì)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，接口控制單元中經(jīng)時(shí)鐘電路處理后給FPGA的100MHz差分時(shí)鐘的差模輸入電壓VID為280mV，共模輸入電壓VICM為30mV。

通過對(duì)時(shí)鐘電路及FPGA資料分析發(fā)現(xiàn)給FPGA提供的100MHz差分時(shí)鐘共模電壓不滿足設(shè)計(jì)要求，當(dāng)100MHz差分時(shí)鐘的差模輸入電壓V_ID為280mV時(shí)，未將其共模輸入電壓V_ICM抬高到至少140mV，導(dǎo)致FPGA只能識(shí)別差分信號(hào)輸入時(shí)鐘波形的0V以上部分，此時(shí)差分時(shí)鐘的波形及幅度都不滿足FPGA要求，處于臨界狀態(tài)，當(dāng)100MHz時(shí)鐘無(wú)外界干擾模塊還能正常工作，但當(dāng)模塊的電磁環(huán)境相對(duì)復(fù)雜或者在環(huán)境試驗(yàn)時(shí)很容易出現(xiàn)故障。

某接收模塊時(shí)鐘電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對(duì)此現(xiàn)象，需在100MHz差分正負(fù)兩路信號(hào)線上分別串接一個(gè)25Ω電阻以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，再將變壓器ADT1-1WT的抽頭2腳通過分壓電阻將其抬高到1.1V，以此來滿足FPGA差分輸入共模電壓要求，共模電壓范圍要求在0.05V-1.8V之間，典型值為1.25V，選用1.1V主要因?yàn)槠浣咏湫椭登曳謮弘娮璧倪x擇比較容易。更改后的接口控制單元電路如圖所示。

更改后在對(duì)發(fā)生故障的某接收/激勵(lì)模塊分別在高低溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果某接收/激勵(lì)模塊工作正常。

結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品中接口控制單元FPGA選用的是ALTERA公司的EP3C40U484I7芯片，其內(nèi)部不帶數(shù)控阻抗匹配，因此需在其外部進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，并且由于設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致其100MHz時(shí)鐘差分正負(fù)兩路信號(hào)線上的共模電壓未抬高，最終進(jìn)入FPGA的波形幅度處于臨界狀態(tài)，由于FPGA芯片性能本身也存在差異，導(dǎo)致該故障為偶發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1]《EP3C40U484I7器件資料》.

作者簡(jiǎn)介：黃娜（1989.07-），女，本科，助理工程師，電子類。