如何保护FPGA输入端的齐纳二极管

2011-07-01 06:33:49来源: 互联网
    虽然5V电源逻辑在很多应用中仍很常见,但大多数FPGA都支持3.3V以及更低的接口电平。FPGA应用说明通常建议,当把一只FPGA连接到较高电压电平时,FPGA的I/O块中要用PCI(外设部件互连)总线箝位二极管,并外接一只串联限流电阻,以防止损坏FPGA(图1)。PCI箝位二极管会将电压限制在不致损坏输入端的电平,而电阻则将电流限制在一个不会损害PCI箝位二极管的安全水平。这种方案在低速信号的设计中工作良好。

  不过,当将此方案用于较高速率信号时,寄生RC滤波器的效应就会使信号失真(图2)。FPGA应用说明中的电路需要做个变动,无需重新设计PCB(印刷电路板)就可以完成这个变动。本例用一只齐纳二极管替代了电阻,用于转换信号电平,而不会造成明显的失真(图3)。齐纳二极管与PCI箝位二极管和内部上拉电阻一起工作,设定了输入端的电压电平。

  要设定输入端的静态电平,必须使能FPGA的内部上拉电阻,以防止当输入端持续为高时,PCI箝位二极管被过度驱动。上拉电阻的电流小于齐纳二极管的额定电流。另外,低压齐纳二极管的雪崩IV(电流-电压)曲线中还有圆滑的“拐点”(knee)。

  此曲线表明齐纳电压低于额定值,因此需要使用一个较高电压的齐纳二极管。二极管还应有小的电容。Comchip公司的CZRU52C3是一只3V的齐纳二极管,它能正常工作,使电路电压降低2V(图4)。

  齐纳二极管中的某些寄生效应会给波形带来其他失真。二极管有寄生电容,它使二极管开始看似与5V驱动器的信号沿有一个短路。FPGA管脚会看到一个大约10 ns的高压过冲,快速地衰减到输入脚的额定电平。管脚电容与下拉电阻的RC时间常数产生一个到最终值的较慢下降,速率由齐纳二极管和下拉电阻所决定。图5给出了前沿的详图。

关键字:FPGA  齐纳二极管

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0701/article_2230.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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