《電子技術應用》
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如何保护FPGA输入端的齐纳二极管
摘要: 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。
關鍵詞: FPGA 齐纳二极管
Abstract:
Key words :

  雖然5V電源邏輯在很多應用中仍很常見,但大多數FPGA都支持3.3V以及更低的接口電平。FPGA應用說明通常建議,當把一只FPGA連接到較高電壓電平時,FPGA的I/O塊中要用PCI(外設部件互連)總線箝位二極管,并外接一只串聯限流電阻,以防止損壞FPGA(圖1)。PCI箝位二極管會將電壓限制在不致損壞輸入端的電平,而電阻則將電流限制在一個不會損害PCI箝位二極管的安全水平。這種方案在低速信號的設計中工作良好。

  不過,當將此方案用于較高速率信號時,寄生RC濾波器的效應就會使信號失真(圖2)。FPGA應用說明中的電路需要做個變動,無需重新設計PCB(印刷電路板)就可以完成這個變動。本例用一只齊納二極管替代了電阻,用于轉換信號電平,而不會造成明顯的失真(圖3)。齊納二極管與PCI箝位二極管和內部上拉電阻一起工作,設定了輸入端的電壓電平。

  要設定輸入端的靜態(tài)電平,必須使能FPGA的內部上拉電阻,以防止當輸入端持續(xù)為高時,PCI箝位二極管被過度驅動。上拉電阻的電流小于齊納二極管的額定電流。另外,低壓齊納二極管的雪崩IV(電流-電壓)曲線中還有圓滑的“拐點”(knee)。

  此曲線表明齊納電壓低于額定值,因此需要使用一個較高電壓的齊納二極管。二極管還應有小的電容。Comchip公司的CZRU52C3是一只3V的齊納二極管,它能正常工作,使電路電壓降低2V(圖4)。

  齊納二極管中的某些寄生效應會給波形帶來其他失真。二極管有寄生電容,它使二極管開始看似與5V驅動器的信號沿有一個短路。FPGA管腳會看到一個大約10 ns的高壓過沖,快速地衰減到輸入腳的額定電平。管腳電容與下拉電阻的RC時間常數產生一個到最終值的較慢下降,速率由齊納二極管和下拉電阻所決定。圖5給出了前沿的詳圖。

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