LVPECL

図 5-10 ^に、LVPECL ^{オシ レー タ と} GTP リ フ ァ レ ン ス ク ロ ッ ク 入力の接続を示 し ます。

AC カ ッ プ リ ン グ

オシ レー タ リ フ ァ レ ン ス ク ロ ッ ク 出力 と GTPA1_DUAL リ フ ァ レ ン ス ク ロ ッ ク 入力の AC ^{カ ッ プ} リ ン グは、 次の よ う な役割を果た し ます。

• ^{オシ レー タ と} GTPA1_DUAL 専用 ク ロ ッ ク 入力ピ ン間の DC 電流を ブ ロ ッ ク す る (^{こ れに よ} り 、 両方の消費電力が削減可能)。

• ^{同相電圧の独立。}

• AC カ ッ プ リ ン グ キ ャ パシ タ がオンチ ッ プ終端を持つハ イ パス フ ィ ル タ と な り 、 リ フ ァ レ ン ス ク ロ ッ ク の ワ ン ダ を低減 さ せ る 。

ノ イ ズお よ び消費電力を最小限にす る ため、ソ ース と な っ てい る オシ レー タ と GTPA1_DUAL 専用 の リ フ ァ レ ン ス ク ロ ッ ク 入力ピ ンの間に外部 AC カ ッ プ リ ン グ キ ャ パシ タ が必要です。

X-Ref Target - Figure 5-9

図 5-9 : LVDS ^{オシ レー タ と} GTP ト ラ ン シーバの リ フ ァ レ ン ス ク ロ ッ ク入力の接続 LVDS Oscillator

0.01 μF

UG386_c5_08_051409

0.01 μF

GTP Reference Clock Input Buffer

Internal to Spartan-6 FPGA

X-Ref Target - Figure 5-10

図 5-10 : LVPECL ^{オシ レー タ と} GTP ト ラ ン シーバの リ フ ァ レ ン ス ク ロ ッ ク 入力の接続 LVPECL Oscillator

Notes:

1. Nominal values. Refer to the oscillator vendor data sheet for the actual bias resistor requirement.

Internal to Spartan-6 FPGA

GTP Reference Clock Input Buffer 0.01 μF

0.01 μF 240Ω⁽¹⁾

240Ω⁽¹⁾

UG386_c5_09_051409

ク ロ ッ ク 分配

オシ レー タ か らの 2 つ以上の差動ク ロ ッ ク 入力ペアへク ロ ッ ク を提供

Spartan-6 デバ イ ス内において反対側に配置 さ れてい る GTPA1_DUAL プ リ ミ テ ィ ブ間で、1 つの ク ロ ッ ク が共有 さ れ る 必要があ る 場合、2 対以上の差動 ク ロ ッ ク 入力ペアが必要にな り ます。複数出 力のオシ レー タ を使用す る か、 ま たは単一出力のオシ レー タ と 複数出力の ク ロ ッ ク バ ッ フ ァ の組み 合わせを使用す る 必要があ り ます。

GTPA1_DUAL プ リ ミ テ ィ ブの専用 ク ロ ッ ク 入力ピ ン ペア と オシ レー タ 出力ま たはバ ッ フ ァ 出力 と の接続は、ポ イ ン ト 間接続 し て く だ さ い。分岐送信 ラ イ ン、T ス タ ブ、ブ ラ ンチ、あ る いはデ イ ジー チ ェーン接続は使用で き ません。

未使用の リ フ ァ レ ン ス ク ロ ッ ク入力

未使用の差動入力ピ ンの ク ロ ッ ク ペア (MGTREFCLKP お よ び MGTREFCLKN) は、 共にグ ラ ン ド に接続す る か、 フ ロ ーテ ィ ン グ状態にす る こ と を推奨 し ます。

電源供給および フ ィ ル タ リ ング

概要

Spartan-6 FPGA の GTPA1_DUAL タ イ ルには、1.2VDC (公称電圧レベル) の単一電源が必要です。

GTP のアナ ロ グ電源供給での ノ イ ズは、GTP ト ラ ン シーバのパフ ォーマ ン ス に悪影響を与え る 可 能性があ り ます。 つま り 、GTP ト ラ ン ス ミ ッ タ の出力でジ ッ タ が増加 し 、GTP レ シーバのジ ッ タ 耐 性が低下 し ます。 電源 ノ イ ズの原因には、 次の よ う な も のがあ り ます。

• 電圧レ ギ ュ レー タ の ノ イ ズ

• 電力分配ネ ッ ト ワー ク

• ほかの回路か ら のカ ッ プ リ ン グ

GTP アナ ロ グ電源供給を イ ンプ リ メ ン ト す る 際には、 こ れ ら の ノ イ ズの原因を考慮す る 必要があ り ます。FPGA の入力ピ ンで測定 さ れ る Peak-to-Peak ノ イ ズの合計値は、10mVpp を超過 し てはいけ ません。

電圧レギ ュ レー タ

通常、GTP のアナ ロ グ電源供給には、 電圧制御の最終段階を提供す る ロ ーカル電圧レ ギ ュ レー タ が あ り ます。 こ れ ら の レ ギ ュ レー タ は、 で き る 限 り GTP の電源ピ ンの近 く に配置す る こ と が理想で す。アナ ロ グ電圧レ ギ ュ レー タ と GTP 電源ピ ンの距離が短いほ ど、制御後の ノ イ ズ結合を低減で き

ます。 ま た、 動的な負荷に よ る 過渡電流が原因で生 じ る ノ イ ズ生成 も 抑え ら れます。

リ ニ ア レギ ュ レー タ およびス イ ッ チ ング レギ ュ レー タ

使用す る 電圧レ ギ ュ レー タ に よ っ て、 電源回路の複雑性、 コ ス ト 、 お よ びパフ ォーマ ン ス が大 き く 異な り ます。 電圧レ ギ ュ レー タ は、 シ ス テ ム全体の熱要件や効率要件を満た し なが ら 、 ノ イ ズ を最 小限に抑えて GTP ト ラ ン シーバへ適切な電源を供給す る 必要があ り ます。GTP ^{アナ ロ グ電圧レー} ルで使用 さ れ る レ ギ ュ レー タ は、主に 2 種類 (リ ニ ア レ ギ ュ レー タ お よ びス イ ッ チン グレ ギ ュ レー タ) あ り ます。 こ れ ら はそれぞれに メ リ ッ ト お よ びデ メ リ ッ ト があ る ため、最適な レ ギ ュ レー タ を選

電源供給および フ ィ ル タ リ ン グ

• 電力効率

• コ ス ト

リ ニア レギ ュ レー タ

一般的に リ ニア レ ギ ュ レー タ は GTP アナ ロ グ電源レール用の電圧制御 と し ては最 も シ ンプルな レ ギ ュ レー タ です。 こ の レ ギ ュ レー タ は、 制御 さ れた出力電圧に大 き な ノ イ ズ を発生 さ せない こ と が 特徴です。 一部の リ ニ ア レ ギ ュ レー タ には、 電圧入力で生 じ た ノ イ ズ を出力で除去す る 機能があ り ます。 ま た、 こ の レ ギ ュ レー タ は、 最小限の外部 コ ン ポーネ ン ト で PCB 上に電源回路を構築で き る こ と も 特徴です。

リ ニア レ ギ ュ レー タ の欠点は、 最小 ド ロ ッ プア ウ ト 電圧お よ び制限 さ れた効率性です。 リ ニア レ ギ ュ レー タ では、 出力電圧 よ り 高い入力電圧が必要です。 こ の最小 ド ロ ッ プア ウ ト 電圧は、 負荷電 流に よ っ て異な り ます。 低 ド ロ ッ プア ウ ト の リ ニ ア レ ギ ュ レー タ であ っ て も 、 レ ギ ュ レー タ の入力 電圧 と 出力電圧の差は最小限にす る 必要があ り ます。 こ のため、シ ス テ ム電源供給デザ イ ン では、 リ ニアレ ギ ュ レー タ の最小 ド ロ ッ プア ウ ト 電圧要件を考慮す る 必要があ り ます。

リ ニア レ ギ ュ レー タ の効率は、 リ ニア レ ギ ュ レー タ の入力電圧 と 出力電圧の差に依存 し ます。 た と えば、 レ ギ ュ レー タ の入力電圧が 2.5VDC で、出力電圧が 1.2VDC の場合、電圧差は 1.3VDC と な り ます。 レ ギ ュ レー タ へ入力す る 電流 と レ ギ ュ レー タ か ら 出力 さ れ る 電流が同 じ であ る と 仮定 し た 場合、 こ の レ ギ ュ レー タ の最大効率は 48% と な り ます。 つま り 、 負荷に対 し て電力が供給 さ れ、 そ のたびに レ ギ ュ レー タ が余分な電力を消費 し ます。 レ ギ ュ レー タ が電力を消費す る と 熱が生成 さ れ る ため、 シ ス テ ムでは こ れ ら の熱を処理す る 必要があ り ます。 こ の よ う に リ ニア レ ギ ュ レー タ で生 成 さ れた熱の放熱処理が、 シ ス テ ム コ ス ト を増加 さ せ る 可能性があ り ます。 コ ン ポーネ ン ト 数や複 雑性を考えた場合、リ ニア レ ギ ュ レー タ は ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ よ り 優位性があ る よ う に思い ますが、 消費電力や放熱器を含む全体的なシ ス テ ムコ ス ト を考え た場合、 高電流アプ リ ケーシ ョ ン では リ ニア レ ギ ュ レー タ の方が高 コ ス ト にな る 場合 も あ り ます。

ス イ ッ チ ング レギ ュ レー タ

ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ は、GTP アナ ロ グ電源供給に対 し て優れた電圧制御を提供で き る 高効 率レ ギ ュ レー タ です。 リ ニア レ ギ ュ レー タ と は異な り 、 ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ に よ る 電圧制御 は、 入力電圧 と 出力電圧の電圧降下に依存 し ません。 し たがっ て、 高い効率を維持 し なが ら 、 大容 量の電流を供給で き ます。 ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ が 95% 以上の効率性を維持で き る こ と はめ ず ら し く あ り ません。 こ の レ ギ ュ レー タ の効率は、入力電圧 と 出力電圧の差にあ ま り 影響 さ れず、負 荷電流の影響を受け ます。 それで も 、 リ ニア レ ギ ュ レー タ の場合 よ り も 、 こ の影響は少ないです。 ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ は高効率であ る ため、 大量の電力を回路へ供給す る 必要がない上に、 レ ギ ュ レー タ で生成 さ れ る 熱を放出す る ための大 き な装置 も 必要あ り ません。

ス イ ッ チン グレ ギ ュ レー タ の欠点は、回路の複雑性 と レ ギ ュ レー タ の ス イ ッ チ機能に よ っ て ノ イ ズ が生成 さ れ る こ と です。 通常、 ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ の回路は、 リ ニア レ ギ ュ レー タ の回路 よ り 複雑です。 こ の難点を解消す る ため、多 く の ス イ ッ チン グレ ギ ュ レー タ コ ン ポーネ ン ト 開発ベン ダーが開発に努めてい ます。 通常、 ス イ ッ チン グレ ギ ュ レー タ 回路には、 ス イ ッ チン グ ト ラ ン ジ ス タエ レ メ ン ト 、 イ ン ダ ク タ 、 お よ びキ ャ パシ タ が必要です。 求め ら れ る 効率要件や負荷要件に よ っ ては、 外部に ス イ ッ チン グ ト ラ ン ジ ス タ や イ ン ダ ク タ が必要にな る 場合があ り ます。 コ ン ポーネ ン ト 数のほかに も 、 こ れ ら の ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ を効率良 く 動作 さ せ る ためには、PCB ^上の配 置配線を慎重に行 う 必要があ り ます。

ス イ ッ チン グレ ギ ュ レー タ は非常に大 き な ノ イ ズ を生成す る ため、Spartan-6 FPGA ^の GTP ^{アナ ロ} グ電源入力ピ ンへ電圧を供給す る 前に フ ィ ル タ 機能を追加す る 必要があ り ます。182 ページの 「概 要」 で説明 し た と お り 、 ノ イ ズ振幅は 10mVpp 未満に抑え る 必要があ り ます。 し たがっ て、 こ の ノ イ ズ要件を満たす よ う に電源フ ィ ル タ を設計 し 、 ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ で生成 さ れ る ノ イ ズ を 抑えて く だ さ い。

電力分配ネ ッ ト ワー ク

電源供給デ カ ッ プ リ ング キ ャパシ タ

Spartan-6 FPGA GTP ト ラ ン シーバのアナ ロ グ電源の場合、デカ ッ プ リ ン グキ ャ パシ タ に よ っ て電 源プ レーン と グ ラ ン ド 間の イ ン ピーダ ン ス を低減 し ます。最低限のグ ラ ン ド への イ ン ピーダ ン ス で、

電源プ レーンは ノ イ ズ を低減す る こ と がで き ます。 こ の場合は、 同 じ パ ッ ケージ内の ト ラ ン シーバ 間を分離す る よ う に、GTP ト ラ ン シーバ と 外部回路を分離す る と 、 その メ リ ッ ト を享受で き ます。

GTP ト ラ ン シーバのアナ ロ グ電源でデカ ッ プ リ ン グ キ ャ パシ タ を使用す る 主な目的は、 電源 ソ ー スやそのほかの PCB 上の回路か ら 生 じ る ノ イ ズ振幅を低減す る こ と です。

表 5-2 に、 電源 (MGTAVCC お よ び MGTAVTTTX、MGTAVTTRX お よ び MGTAVCCPLL) の推 奨 さ れ る フ ィ ル タ リ ン グ方法を示 し ます。

PCB ( プ リ ン ト 回路基板 ) ^の設計

Spartan-6 FPGA GTP ト ラ ン シーバの最高パフ ォーマ ン ス を実現す る には、PCB の設計を慎重に行 う 必要があ り ます。PCB を設計す る 際の注意すべ き 項目は、 ボー ド ス タ ッ ク ア ッ プ、 コ ン ポーネ ン ト 配置、お よ び信号配線です。プ リ ン ト 基板 (PCB) デザ イ ンには、次の コ ン ポーネ ン ト が含まれます。

• 1.2VDC MGT アナ ロ グ電源用の電力分配ネ ッ ト ワ ー ク

• レ シーバお よ び ト ラ ン ス ミ ッ タ のデー タ ラ イ ン

• ソ ース と な る オシ レー タ と GTP リ フ ァ レ ン ス ク ロ ッ ク 入力間の接続

• 終端キ ャ リ ブ レーシ ョ ン抵抗

次のセ ク シ ョ ンでは、 こ れ ら の コ ン ポーネ ン ト を PCB へ イ ンプ リ メ ン ト す る 際の問題について説 明 し ます。

表 5-2 : Spartan-6 FPGA GTPA1_DUAL タ イルの推奨 さ れる最低限のデ カ ッ プ リ ング

キ ャパシ タ ン ス

(µF) ^{種類 サイ ズ}

電源デ カ ッ プ リ ン グキ ャパシ タ の数

製造者 P/N

1 ^個の GTPA1_DUAL

2 ^個の GTPA1_DUAL

(1 ^{つのバン ク})

0.22 セ ラ ミ ッ ク 402 6 8 AVX 社 04026D224KAT2A

Kemet 社 C0402C224K9PAC

村田製作所 GRM155R06J224KE01D

4.7 セ ラ ミ ッ ク 0603 1 2 AVX 社 06036D475KAT2A

Kemet 社 C0603C475K9PAC

村田製作所 GRM188R60J475KE19D