Xilinx Spartan-6 FPGA Series User Manual

4 www.xilinx.com Spartan-6 FPGA PCB Design and Pin Planning
UG393 (v1.1) April 29, 2010
Simulation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
PDS Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Noise Magnitude Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Noise Spectrum Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Optimum Decoupling Network Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Troubleshooting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Possibility 1: Excessive Noise from Other Devices on the PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Possibility 2: Parasitic Inductance of Planes, Vias, or Connecting Traces . . . . . . . . . . 37
Possibility 3: I/O Signals in PCB are Stronger Than Necessary . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Possibility 4: I/O Signal Return Current Traveling in Sub-Optimal Paths . . . . . . . . . 38
Chapter 3: SelectIO Signaling
Interface Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Single-Ended versus Differential Interfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
SDR versus DDR Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Single-Ended Signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Modes and Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Input Thresholds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Chapter 4: PCB Materials and Traces
How Fast is Fast? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Dielectric Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Relative Permittivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Loss Tangent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Skin Effect and Resistive Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Choosing the Substrate Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Traces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Trace Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Trace Characteristic Impedance Design for High-Speed Transceivers . . . . . . . . . . . . 43
Trace Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Plane Splits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Return Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Simulating Lossy Transmission Lines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Skew Between Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Chapter 5: Design of Transitions for High-Speed Signals
Excess Capacitance and Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Time Domain Reflectometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
BGA Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
SMT Pads. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Differential Vias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
P/N Crossover Vias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
SMA Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Backplane Connectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Microstrip/Stripline Bends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Xilinx Spartan-6 FPGA Series Specifications

General

Device Family	Spartan-6
Category	FPGA
Number of Logic Cells	3, 840 to 147, 443
Block RAM	216 Kb to 4, 824 Kb
Maximum User I/O	102 to 576
Process Technology	45nm
Operating Voltage	1.2V
Number of DSP Slices	8 to 180
Package Options	FG256, FG484, FG676, FG900, FG1156, FT256, FTG256, FTG484, FTG676, FTG900, FTG1156