FPGA电压知多少(二)

作者:浅搁 来源:FPGA2嵌入式

一颗FPGA芯片通常需要多个电压,例如Xilinx的新一代的A7、K7、V7等系列的芯片,可以多达6个电压,分别是3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、1.0V。除了核心电压跟辅助电压是固定之外,最需要注意的就是管脚电压了,而管脚电压难道就只是仅仅多了几个电压而已吗?

1. FPGA管脚电压类型

FPGA的管脚是与多种类型的器件进行通信的,所以会有1.5V、1.8V、2.5V、3.3V这些常用的电压,且这些电压都具有多种属性。下图中,图1是Xlinx的管脚电压类型,图2是Altera的管脚电压类型。


图1 Xilinx管脚电压


图2 Altera管脚电压

由上图可以看到,虽然Xilinx和Altera的管脚电压命名不一样,但是基本包含几种电压特性:TTL、COMS、SSTL、HSTL、LVDS。每一种不同的电压特性,其用途均不一样,所以在绑定管脚时必须选好,用错电压可能会致使通信或操作不成功。

2. 基本电压类型

在平常的使用中,3.3V电压的使用是占绝大部分的,但是3.3V电压在FPGA中又分为LVCOMS-3.3V和LVTTL-3.3V,它们之间又有什么区别呢?

由上图可知,相对TTL,COMS有了更大的噪声容限,输入阻抗远大于TTL输入阻抗。对应3.3V LVTTL,出现了LVCMOS,可以与3.3V的LVTTL直接相互驱动,但是TTL电压却不一定能驱动COMS电压,因此在绑定管脚电压时还是需要了解通信器件的电压阈值才能做决定。

3. 特殊电压类型

除了一般的通信电压之外,FPGA还能兼容其他形式的电压,像DDR接口或者PCI接口等等这些高速接口。如电压管脚图所示,除了LVTTL和LVCOMS外,还有PCI、PCI-X、LVDS、SSTL、HSTL等不同形式的电压类型。

很明显,PCI和PCI-X就是针对PCI接口的。LVDS是差分信号,必须绑在差分对的管脚上;差分对都是两个信号成对存在,但是在绑定管脚时只需要绑定其中一个即可,另一个会被自动锁定。如下图所示,输入信号是200mhz的差分时钟,管脚只绑定_p端,_n端也会被自动关联进来,无需额外去绑定。

SSTL与HSTL均是对应高速接口的。SSTL不同于LVTTL和LVCMOS的一个重要方面是SSTL要求传输线终端匹配。所以,SSTL有输出阻抗参数以及不同的终端匹配方法。SSTL电压有:SSTL_18,SSTL_2,SSTL_3,SSTL_15;像我们常用的高速存储器DDR系列中,DDR采用SSTL-2,DDR2采用SSTL-18,SSTL-2,DDR3采用SSTL-15,所以绑定管脚时需万分注意其电压值。

HSTL与SSTL类似,主要用于QDR存储器,一般有HSTL_15和HSTL_18两种标准,HSTL的电压特性如下图所示。在180MHz以上的范围,HSTL标准是唯一可用的单端I/O接口。所以利用HSTL的速度,可以明显地提高了整个系统的性能。

4. 总结

在FPGA中,除了上述介绍的这些常见的管脚电压类型外,还有一些其他的,这里不再一一描述,有兴趣的可以查阅Xlinx和Altera等产家的芯片IO说明文档进行了解。虽然只是一个电压,在设计中似乎很少关注,也没出过问题;但是作为一个设计者,我们还是应该多加了解这些应用,尤其在高速接口中,这些电压的设置将对通信起着举足轻重的作用。

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