FPGA中差分信号的定义和使用

FPGA 中差分信号的定义和使用 做数字电路设计的朋友对差分信号的定义应该都不会太陌生 在当前 比较流行的高速串行总线上 基本都是使用的差分信号 比如 USB PCIE SATA 等等 大多数的 FPGA 也都支持差分信号 甚至某些 新型号的 CPLD 也开始支持差分信号了 那么在 FPGA 中如何正确定义和使用差分信号呢 在这篇文章里 我们 基于 ALTERA 公司的 CYCLONE III 系列的 FPGA 芯片 做一些讨论 一 差分信号输出一 差分信号输出 我们先在设计中定义一个名字为 DIF OUT 的输出信号 并将 UART CLK 时钟赋给它 UART CLK 为串口时钟 大概为 115 2kHz 该实验是 在一个 FPGA 的项目上添加部分差分信号的设计来做的 会引用到原设 计里的一些信号 但在介绍中 只会给出与差分信号实验相关的部分 如下面所示 module FPGA TOP DIF OUT output DIF OUT assign DIF OUT UART CLK endmodule 在设计里 DIF OUT 和其他变量的定义和赋值方式是一样的 没有任何 的区别 如果需要将 DIF OUT 当做差分信号输出的话 就必须在 Pin Planner 中对其 I O Standard 进行定义 如下图所示 我们可以把 I O Standard 定义为 1 2V 的单端输出信号 我们也可以把 I O Standard 定义为 BUS LVDS 类型的信号 这个时候 会出现什么情况呢 从下面的图可以看到 系统会在将 DIF OUT 定义 为 Bus LVDS 类型的同时 多添加一个 DIF OUT n 的信号 并且根据 DIF OUT 的 location 自动选定 DIF OUT n 的 location 在 Differential Pair 里 会显示这两个信号互为差分信号对 也就是说 这是一组差分信号 那我们看一下这一组差分信号的输出电平 下面是在示波器上抓取的 信号波形 可以看到二者的电平是相反的 再看一下两者的电平值 可以看到 电平是 0V 高电平是 330mV 左右 这是正常的差分信号的电平 我们再通过实例讨论一下 CYCLONE III 中定义差分信号时的注意事项 1 差分信号对必须按照芯片的定义来配置 FPGA 芯片的管脚定义中 会给出哪两个 IO 可以当做一对差分信号来使 用 如下图中 我们刚才使用了 EP3C5E144 BANK3 中的 IO DIFFIO B11p 52 和 IO DIFFIO B11n 53 来定义 DIF OUT 这 一对差分信号 如果我们不这样定义呢 比如说定义 DIF OUT 到 Pin46 上 看会出现 什么情况 先定义 DIF OUT 到 Pin46 上 I O Standard 暂且选为 2 5V 如下图所示 然后我们去看 I O Standard 的下拉列表 根本就没有 Bus LVDS 的选 项 也就是说 没有办法把这个信号定义为差分信号 如果我们先定 义 I O Standard 为 Bus LVDS 然后去选择 location 到 PIN 46 这个 时候会出现下面的对话框 也就是说 没有办法定义这个 pin 为差分 信号 2 差分信号所在 BANK 的 IO 参考电压 VCCIO 必须设定为 2 5V 我们在 BANK3 添加 DP DATA 7 的信号 location 选为 PIN 38 I O Standard 选为 3 3 V LVTTL 这就意味着 BANK3 的 IO 参考电压为 3 3V 然后编译设计 软件会报告如下的错误 截图的原因 只给 出 Error 的前半部分 可以看出 差分信号需要的 VCCIO 是 2 5V 实际上软件并不知道在实际的系统上该 BANK 的 VCCIO 接的电源是多少 只要不定义该 BANK 的任一 IO 的 I O Standard 为非 2 5V 的值 编译 的时候都会认为该 BANK 的 VCCIO 是 2 5V 至于说如果 VCCIO 接了非 2 5V 的电源 编译后的程序在 FPGA 上能不能正常工作就不太好讲了 唯一可以确认的是 我实验的结果是 VCCIO 接 3 3V 的话差分信号可以 正常工作 3 Location 上紧邻着某一对差分信号的信号不能作为单端信号使用 我们把 DP SEL 0 信号的 location 设定到 PIN 51 I O Standard 设定 为 2 5V 重新编译系统 会看到下面的 Error 也就是说 DP SEL 0 这个单端信号离 DIF OUT 这对差分信号太近了 不能这样分配 我们把 DP SEL 0 定义到 BANK3 中的 location PIN 49 上 重新综合 可以发现 软件没有报错 在 Pin Planner 中 也正 确定义了这三个信号