PCB 布局中的引脚交换和栅极交换

2021-06-17

PCB 布局中的引脚交换和栅极交换

无论您的 PCB 设计有(yǒu)多(duō)少规划，您都可(kě)能(néng)会发现自己在走線(xiàn)布線(xiàn)期间处于引脚交换的位置。在原理(lǐ)图和布局之间移动会给歧义留下空间，这取决于布線(xiàn)以最小(xiǎo)化交叉。如果您发现您的设计是老鼠窝，可(kě)以通过在 PCB 中进行引脚交换来清理(lǐ)它。

在组件数量较少的简单设计中，引脚交换可(kě)能(néng)不是那么重要。但是在具有(yǒu)高引脚密度组件的设备中，例如 FPGA 或微控制器，您的信号路由很(hěn)快就会变成 PCB 布局中错综复杂的连接。

FPGA 引脚交换

片上系统设备的趋势增加了FPGA的使用(yòng)。使用(yòng) FPGA 技术，设计人员可(kě)以在他(tā)们的设备中实现几乎所有(yǒu)基于逻辑的功能(néng)。FPGA 不是设计具有(yǒu)数百甚至数千个逻辑 IC 的系统，而是在单个 IC 中提供相同的设计自由度。在 PCB 上成功集成 FPGA 的挑战在于正确布線(xiàn)電(diàn)源、接地、配置、时钟和用(yòng)户 I/O 信号。

将正确的走線(xiàn)连接到 PCB 上的 FPGA 可(kě)能(néng)是一项艰巨的任務(wù)。在 FPGA 端，引脚分(fēn)配给硬件描述语言信号，形成在 FPGA 中实现的逻辑。引脚必须连接到正确的网络，以便将其连接到 PCB 上的其他(tā)组件。当前的设备可(kě)以有(yǒu)超过 1500 个引脚，手动执行引脚交换既耗时又(yòu)容易出错。

169针集成電(diàn)路

如果不交换電(diàn)路板上的其他(tā)组件，则无法交换某些 FPGA 引脚。例如，接地和 I/O 引脚、電(diàn)源和 I/O 引脚或電(diàn)源和接地引脚不应相互交换。如果您确实在布局中进行了这些交换，则需要对其他(tā)電(diàn)路板进行重新(xīn)设计。值得庆幸的是，一款带有(yǒu)内置规则检查的优秀设计软件可(kě)以防止这种错误。

然而，一组内的 I/O 引脚可(kě)以相互交换，这可(kě)能(néng)有(yǒu)助于清理(lǐ)您的 PCB 设计。在开始随意交换 I/O 引脚之前要小(xiǎo)心。某些引脚可(kě)能(néng)是差分(fēn)对的一部分(fēn)，这些引脚只能(néng)与另一个差分(fēn)对交换。虽然某些引脚具有(yǒu)双向功能(néng)，但它们可(kě)以在原理(lǐ)图上配置為(wèi)单独的输入或输出。输入引脚不应与输出引脚互换，反之亦然。

门交换

由于可(kě)能(néng)需要 FPGA 和其他(tā)组件与外部逻辑 IC 接口，因此可(kě)能(néng)还需要门交换来清理(lǐ)您的 PCB 设计。栅极交换可(kě)能(néng)涉及重新(xīn)安排到 IC 上不同引脚的走線(xiàn)布線(xiàn)，甚至将 IC 交换為(wèi)具有(yǒu)不同引脚布局的 IC。这两种策略都有(yǒu)助于最大程度地减少交叉并清理(lǐ)您的信号轨迹。

门交换只能(néng)在单个封装中具有(yǒu)可(kě)互换器件的芯片中进行。两个很(hěn)好的例子是 74xx00 四 NAND 封装和 CD4000 三输入 NAND 封装。这些芯片在单个封装中具有(yǒu)多(duō)个相同的器件，因此您可(kě)以将走線(xiàn)移动到不同的栅极，而不会影响整體(tǐ)设计。

将一个 IC 换成不同的 IC 是另一种野兽。不同的 IC 可(kě)能(néng)具有(yǒu)不同的引脚布局，可(kě)让您解开走線(xiàn)。如果您必须更换 IC，電(diàn)气输入和输出電(diàn)平应与两种 IC 封装兼容。例如，更换您的 IC 可(kě)能(néng)会导致新(xīn)的扇出值，如果下游驱动太多(duō)门，则可(kě)能(néng)无法进行交换。交换同一逻辑系列（TTL 或 CMOS）内的 IC 也很(hěn)重要。

在不牺牲性能(néng)的情况下交换逻辑 IC 需要一个具有(yǒu)预定义電(diàn)气特性和引脚布局的综合组件。通过使用(yòng)不同的 IC 进行引脚交换时要小(xiǎo)心。您需要注意新(xīn) IC 中的扇入和扇出、传播延迟以及電(diàn)源和接地引脚放置等问题。不同的传播延迟在高速设备中尤為(wèi)重要。

DIP 封装的逻辑 IC。

在低功率器件中，逻辑 IC 上的引脚交换可(kě)以通过降低逻辑门上的電(diàn)容负载来降低功耗。应交换引脚，以便承载最高频率信号的走線(xiàn)连接到具有(yǒu)最低容性负载的引脚。这在使用(yòng)非对称逻辑门时尤為(wèi)重要。