齐纳二极管：保护FPGA输入端

     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。

图1 工程师一般通过一只串联电阻，将5V逻辑电平接到FPGA上 

　　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。

图2 寄生RC滤波器会减缓信号的边缘

图3 用齐纳二级管代替电阻，以失真转换电平

　　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）。

图4 示波器图形表示信号有过冲

图5 脉冲前沿的小过冲不会损及FPGA的输入端

　　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。