Xilinx 7系列FPGA高性能接口與2.5V/3.3V外設IO接口設計

引言：Xilinx 7系列FPGA IO Bank分為HP Bank和HR Bank，HP IO接口電壓范圍為1.2V~1.8V，可以實現高性能，HR IO接口電壓范圍為1.2V~3.3V。當HR Bank與2.5V或者3.3V外設互聯時，需要考慮接口電平的兼容性。

根據性能需求、功能和信號類型（輸入、輸出或雙向），有不同的接口設計選項。本應用說明探討諸如添加電阻器、場效應晶體管（FET）開關、電平轉換器甚至其他Xilinx FPGA等選項。

1. 電阻分壓設計

????一個簡單的電阻負載可以將過多的信號擺動截斷到FPGA的可容忍水平。如圖1所示，通過從傳輸線到GND放置電阻器，只有驅動高壓被衰減。這種解決方案可能導致信號完整性低于理想，因為下拉電阻器通常不與傳輸線匹配。將該下拉電阻器放置在接收器附近有助于減少不必要的反射。

圖1：下拉電阻技術 ????

下拉電阻器可以通過知道輸出驅動器阻抗/電阻和輸出驅動電壓（VCC）來確定。在所需的接收器輸入電壓定義為VRECEIVER的情況下，下拉電阻器使用等式1以及圖2的有效示意圖進行計算。

圖2：帶下拉電阻器的驅動器驅動邏輯1的有效示意圖

帶下拉電阻器的驅動器驅動邏輯1的有效示意圖

表1顯示了不同驅動器阻抗/電阻上2.5V和3.3V驅動器VCC的RPULLDOWN計算值。

表1:RPULLDOWN的計算值

????由于驅動器的潛在非線性，建議通過HSPICE進行模擬以將非線性考慮在內。此外，由于阻抗不匹配，必須考慮過沖和反射。HP I/O組的VCCOMAX為2.1V。

2. 圖騰柱電阻分壓器設計

雙電阻圖騰柱解決方案允許端接與傳輸線匹配，以最大限度地減少反射，但代價是連續直流電流。

圖3：帶Thevenin并聯終端的驅動器示意圖

電阻器的選擇必須使其組合并聯電阻盡可能接近Z0。此外，必須遵守接收器的VIH和VIL電平。如圖3所示，VBIAS點的概念確保輸入的高信號能夠以足夠的強度向下驅動，以匹配輸入的低信號的驅動強度。知道這個VBIAS點可以計算上拉和下拉電阻值。將端接電阻器靠近接收器，以獲得最佳信號完整性。

VBIAS（方程2）的計算更為復雜，并假設輸出高和低驅動強度是平衡的。

在獲得VBIAS之后，可以計算RPULLUP和RPULLDOWN，如等式3所示：

表2顯示了對于2.5V和3.3V的驅動器VCC的RPULLUP和RPULLDOWN的計算值。

表2：RPULLUP和RPULLDOWN的計算值

使用圖3中的拓撲圖，驅動器的輸出阻抗必須足夠小，才能達到接收器的VIH和VIL閾值。此外，輸出阻抗必須足夠大，以免過驅動接收器的推薦工作電壓（VIHMAX）。在7個系列FPGA中，LVCMOS18的VIHmax為2.1V。ZDRIVER（MAX）和ZDRIVER（MIN）的計算分別如方程4和方程5所示。

表3顯示了對于2.5V和3.3V的驅動器VCC的ZDRIVER（MAX）和ZDRIVER（MIN）的計算值。

表3：ZDRIVER（最大值）和ZDRIVER（最小值）的計算值

在ZDRIVER（MAX）處，邏輯1和邏輯0正好有300mV的裕度。隨著輸出阻抗的減小，邏輯1裕度的增長速度快于邏輯0裕度。方程6和方程7根據實際驅動器阻抗計算精確的裕度水平。

表4顯示了2.5V和3.3V的驅動器VCC的邏輯0和邏輯1余量的計算值。

表4：邏輯0和邏輯1余量的計算

使用等式8計算圖騰柱終端每次I/O消耗的偏置功率，VCC表示上拉電壓。

表5：每個I/O的功率計算

通過使用VBIAS的并聯端接，可以在沒有直流偏置的情況下實現相同的性能，而需要額外的電源導軌（圖4）。如果應用程序具有大量輸入，則此解決方案可能是一個更節能的選項。

圖4：示例：VBIAS拓撲的并行端接

3. 串聯FET開關

串聯FET開關可以保證從3.3V到1.8V的單向電壓轉換，并可以修改為從1.8V到3.3V工作。該器件的性能類似于與傳輸線串聯的NMOS晶體管，如圖5所示。

圖5：串聯FET開關

如果晶體管的柵極被設置為1.8V+VT，則來自3.3V驅動器的信號僅高達1.8V傳遞到接收器。德州儀器SN74TVC16222ADGVR提供23個具有公共柵極的并聯NMOS傳輸晶體管，如圖6所示。

圖6：德州儀器SN74TVC16222ADGVR的簡化示意圖

為了確保從2.5V/3.3V驅動器通過的電壓不超過1.8V，可以使用23個NMOS晶體管中的一個作為參考晶體管，將所有柵極電壓偏置到1.8V+VT，如圖7所示。

圖7：1.8V參考晶體管示例設置

2.5/3.3V的電阻器應足夠高（數百kΩ) 以限制到1.8V軌道的電流。

1.8V至2.5V/3.3V帶FET開關的接口

僅通過FET開關將1.8V驅動到2.5V或3.3V接收器，留下非常少或沒有VIHmargin。例如，在1.8V驅動到VIH為1.7V的Spartan-6 FPGA LVCMOS25接收器的情況下，只有100 mV的裕度可用。在1.8V驅動到VIH為2.0V的Spartan-6 FPGA LVCMOS33接收器的情況下，根本沒有余量。

如圖8所示，接收器輸入端的上拉電阻器可用于為低至高轉換信號增加裕度。將RPULLUP放置在接收器附近，以獲得最佳信號完整性。

圖8:FET開關上拉拓撲

在確定該電阻器的尺寸時必須特別小心，因為使其更強有助于以犧牲高-低轉換信號為代價的低-高轉換信號。此外，該電阻器影響低到高和高到低轉換信號的定時。

將線路從FPGA驅動器的VCC充電到VIH所需的額外時間（T）（加上裕度）可以在等式9中合理估計，拓撲圖如圖8和圖9所示。VIH是接收器的，并且Vm是高于VIH的期望裕度。t 是時間常數RPULLUP x（CFET+CLOAD）。

表6：通過上拉電阻器充電的額外時間

圖9：場效應管3.3V側的示意圖

上拉電阻器的存在會影響高到低的轉換信號，因此驅動器阻抗必須足夠低，以確保仍然滿足VIL電平，減去一定量的裕度。公式10計算最大驅動器阻抗，并使用圖10中的示意圖作為參考。

圖10：帶上拉電阻器的驅動器驅動邏輯0的示意圖

表7顯示了基于各種上拉電阻值的最大驅動器阻抗值。

表7：最大驅動器阻抗與上拉電阻器

I2C兼容性

使用具有適當電阻器上拉值的FET開關可以成功地對I2C信號進行電平轉換。

4. 自動電平轉換器

圖11中的德州儀器TXB0108框圖是一個自動方向感測液位轉換器。自動感知交通方向的能力使自動級翻譯器很容易進入雙向系統。沒有額外的控制信號，因為每個比特都有一個獨立的方向傳感器。該設備加起來為7.6ns
電路的傳播延遲（3.3V至1.8V）。由于該設備的性質，如果線路上存在終端或其他重負載，可能會導致邏輯故障。終端和總線負載必須大于50 kΩ 以避免邏輯中斷。因此，I2C和1Wire等開漏總線與這種類型的電平轉換器不兼容。

圖11：自動電平轉換器拓撲

5.定向電平轉換器

德州儀器SN74AVC20T245是一個20位雙向電平轉換器，根據DIR的邏輯將數據從A電平轉換到B電平或從B電平轉換到A電平（圖12，第10頁）。

SN74AVC20T245分為兩條10位總線，每條總線具有獨立的DIR控制。每個塊還有一個輸出使能，用于將端口A與B隔離。通過設備存在高達4.6ns的引腳到引腳傳播延遲。

圖12:20位雙向電平轉換器拓撲

6. CPLDs and FPGAs轉換

各種Xilinx器件具有2.5V和3.3V的耐受性，可適用于雙向電平移動應用。Xilinx CPLD非常適合。

Xilinx CPLD非常適合在3.3V之間進行電平轉換，并且可提供多達117個I/O，以支持多達58位的總線。Spartan-6 FPGA也非常適合3.3V電平轉換，可提供高達530個I/O。Virtex-6 FPGA也是可行的選擇，可以從2.5V切換到2.5V。非易失性Spartan-3AN系列是另一個可行的選擇。

使用CPLD或FPGA可以卸載7系列FPGA的其他邏輯和任務。通過Xilinx CPLD的引腳到引腳傳播延遲為5ns，而對于FPGA，這取決于通過設備的路由。