解析DDR設(shè)計(jì)中容性負(fù)載補(bǔ)償?shù)淖饔?/h1>
發(fā)布人：一博科技
時(shí)間：2023-05-17
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我們先來(lái)了解一下容性負(fù)載和感性負(fù)載對(duì)鏈路阻抗的影響。仿真鏈路模型如下圖所示。鏈路中有三段50Ω的理想傳輸線，第一段和第二段之間增加一個(gè)電容模擬容性負(fù)載，第二段和第三段之間增加一個(gè)電感模擬感性負(fù)載，鏈路末端是一個(gè)1KΩ的電阻相當(dāng)于開路。利用TDR仿真工具看整個(gè)鏈路的阻抗情況。
這里先簡(jiǎn)單介紹一下阻抗曲線結(jié)果如何看。坐標(biāo)橫軸表示時(shí)間，對(duì)應(yīng)傳輸線從一端看過(guò)去不同傳輸時(shí)刻的位置點(diǎn)，坐標(biāo)縱軸表示阻抗值。從下面阻抗曲線來(lái)看。鏈路在傳輸1ns時(shí)阻抗發(fā)生變化，而在鏈路中第一段傳輸線的傳輸時(shí)延是0.5ns。為什么時(shí)間刻度不對(duì)應(yīng)呢？原因是看鏈路時(shí)域阻抗的方法是通過(guò)信號(hào)反射原理，比較輸入電壓和反射回來(lái)的電壓幅值。脈沖信號(hào)需要有一個(gè)來(lái)回的過(guò)程。所以阻抗曲線中時(shí)間點(diǎn)實(shí)際是傳輸線時(shí)延的兩倍。
從上面鏈路阻抗曲線結(jié)果來(lái)看，容性負(fù)載導(dǎo)致鏈路阻抗瞬間降低，然后又緩慢上升恢復(fù)到原來(lái)走線阻抗。感性負(fù)載導(dǎo)致鏈路阻抗先慢慢升高，然后緩慢恢復(fù)到鏈路阻抗上。對(duì)于鏈路中的出現(xiàn)的容性突變和感性突變，信號(hào)感受到的阻抗變化并不是只存在一瞬間的，而是隨時(shí)間變化的。
了解了鏈路中容性負(fù)載和感性負(fù)載對(duì)鏈路阻抗的影響后，下面我們就來(lái)看看在DDR的Fly_By設(shè)計(jì)鏈路中容性負(fù)載對(duì)鏈路阻抗的影響。如下是常見的DDR一拖五的Fly_By拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)方案，鏈路中一個(gè)主控拖五個(gè)負(fù)載顆粒，端接電阻放在最后一個(gè)顆粒后面。
我們先對(duì)比下做容性負(fù)載補(bǔ)償前后DDR鏈路前端顆粒信號(hào)質(zhì)量情況，因?yàn)閷?duì)于Fly_By鏈路，前端顆粒的信號(hào)質(zhì)量是最差的。下圖是有無(wú)做容性負(fù)載補(bǔ)償鏈路中前端顆粒仿真得出的信號(hào)眼圖。
從以上仿真結(jié)果來(lái)看，當(dāng)沒有做容性負(fù)載補(bǔ)償時(shí)前端顆粒接收信號(hào)眼高為193mV，而做了容性負(fù)載補(bǔ)償之后，信號(hào)眼高升高到303mV。因此在多負(fù)載鏈路中，容性負(fù)載補(bǔ)償對(duì)負(fù)載信號(hào)質(zhì)量有明顯地改善。
那容性負(fù)載對(duì)鏈路究竟是產(chǎn)生怎樣的影響呢？容性負(fù)載補(bǔ)償具體需要怎么做，為什么做容性負(fù)載補(bǔ)償可以改善鏈路上的信號(hào)質(zhì)量？下面就通過(guò)對(duì)鏈路阻抗的觀察分析進(jìn)行闡述。
分別提取上面鏈路中支路走線做容性負(fù)載補(bǔ)償前后的S參數(shù)，利用仿真軟件看鏈路TDR詳情如下，探測(cè)點(diǎn)選在主控一端。藍(lán)色曲線是未做容性負(fù)載補(bǔ)償?shù)逆溌纷杩梗瑓^(qū)域1主干道阻抗是40Ω，分支部分阻抗最低約32Ω，區(qū)域2平均阻抗大致為34Ω。紅色曲線是做容性負(fù)載補(bǔ)償?shù)逆溌纷杩菇Y(jié)果，分支部分剛開始的阻抗趨向50Ω,但會(huì)馬上下降，分支部分阻抗最低約37Ω, 區(qū)域2平均阻抗大致為41Ω。
由上面的純鏈路阻抗結(jié)果分析可知，信號(hào)在分支部分感受到的阻抗會(huì)比實(shí)際走線阻抗偏低6-10Ω，而容性負(fù)載補(bǔ)償就是將分支部分的阻抗故意抬高，使得鏈路整體阻抗更趨于匹配。
前面我們只考慮了分支Stub和過(guò)孔的影響。除了這些影響因素，芯片封裝電容和Die電容也是影響鏈路阻抗的重要原因，這些因素將導(dǎo)致鏈路阻抗更低。下面我們接著分析鏈路增加芯片寄生電容的影響。由于一般芯片的寄生電容值大致在3pF左右，故我們?cè)诿恳粋€(gè)負(fù)載位置掛一個(gè)3pF的電容來(lái)模擬芯片寄生電容的影響。下面是增加芯片寄生電容前后鏈路阻抗曲線結(jié)果。
由上面兩張阻抗曲線結(jié)果圖來(lái)看，芯片寄生電容的影響將導(dǎo)致鏈路阻抗再降低5Ω左右。沒有做容性負(fù)載補(bǔ)償時(shí)，信號(hào)在分支部分感受到的阻抗只有30Ω。而做了容性負(fù)載補(bǔ)償?shù)逆溌?，信?hào)在分支部分感受到的阻抗大致為35Ω，這可能比主干道的40Ω還是偏差較大，但也是更趨于接近了。
下圖是一個(gè)DDR一拖三Fly_By鏈路的阻抗測(cè)試結(jié)果，主干道和支路走線阻抗都控制在50Ω，沒有做容性負(fù)載補(bǔ)償處理。綠色曲線是光板阻抗測(cè)試結(jié)果，紅色曲線是貼了DDR顆粒的阻抗測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯龉獍迩闆r下分支部分阻抗會(huì)比主干道偏低3Ω，而增加了顆粒封裝寄生電容的影響，分支部分阻抗只有44Ω，比主干道阻抗偏低6Ω。
由以上測(cè)試和仿真結(jié)果分析可知，在多負(fù)載的Fly_By鏈路中，由于分支Stub，過(guò)孔寄生電容，芯片封裝電容和Die電容等因素，導(dǎo)致負(fù)載呈容性，使得信號(hào)在支路部分感受到的阻抗將會(huì)比實(shí)際走線阻抗偏低。而容性負(fù)載補(bǔ)償就是事先將支路部分走線阻抗做高，或者將主干線阻抗降低，用以平衡或者抵消容性負(fù)載導(dǎo)致阻抗偏低的影響，使得鏈路整體阻抗更趨近于匹配，從而改善信號(hào)質(zhì)量。
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這里先簡(jiǎn)單介紹一下阻抗曲線結(jié)果如何看。坐標(biāo)橫軸表示時(shí)間，對(duì)應(yīng)傳輸線從一端看過(guò)去不同傳輸時(shí)刻的位置點(diǎn)，坐標(biāo)縱軸表示阻抗值。從下面阻抗曲線來(lái)看。鏈路在傳輸1ns時(shí)阻抗發(fā)生變化，而在鏈路中第一段傳輸線的傳輸時(shí)延是0.5ns。為什么時(shí)間刻度不對(duì)應(yīng)呢？原因是看鏈路時(shí)域阻抗的方法是通過(guò)信號(hào)反射原理，比較輸入電壓和反射回來(lái)的電壓幅值。脈沖信號(hào)需要有一個(gè)來(lái)回的過(guò)程。所以阻抗曲線中時(shí)間點(diǎn)實(shí)際是傳輸線時(shí)延的兩倍。
從上面鏈路阻抗曲線結(jié)果來(lái)看，容性負(fù)載導(dǎo)致鏈路阻抗瞬間降低，然后又緩慢上升恢復(fù)到原來(lái)走線阻抗。感性負(fù)載導(dǎo)致鏈路阻抗先慢慢升高，然后緩慢恢復(fù)到鏈路阻抗上。對(duì)于鏈路中的出現(xiàn)的容性突變和感性突變，信號(hào)感受到的阻抗變化并不是只存在一瞬間的，而是隨時(shí)間變化的。
了解了鏈路中容性負(fù)載和感性負(fù)載對(duì)鏈路阻抗的影響后，下面我們就來(lái)看看在DDR的Fly_By設(shè)計(jì)鏈路中容性負(fù)載對(duì)鏈路阻抗的影響。如下是常見的DDR一拖五的Fly_By拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)方案，鏈路中一個(gè)主控拖五個(gè)負(fù)載顆粒，端接電阻放在最后一個(gè)顆粒后面。
我們先對(duì)比下做容性負(fù)載補(bǔ)償前后DDR鏈路前端顆粒信號(hào)質(zhì)量情況，因?yàn)閷?duì)于Fly_By鏈路，前端顆粒的信號(hào)質(zhì)量是最差的。下圖是有無(wú)做容性負(fù)載補(bǔ)償鏈路中前端顆粒仿真得出的信號(hào)眼圖。
從以上仿真結(jié)果來(lái)看，當(dāng)沒有做容性負(fù)載補(bǔ)償時(shí)前端顆粒接收信號(hào)眼高為193mV，而做了容性負(fù)載補(bǔ)償之后，信號(hào)眼高升高到303mV。因此在多負(fù)載鏈路中，容性負(fù)載補(bǔ)償對(duì)負(fù)載信號(hào)質(zhì)量有明顯地改善。
那容性負(fù)載對(duì)鏈路究竟是產(chǎn)生怎樣的影響呢？容性負(fù)載補(bǔ)償具體需要怎么做，為什么做容性負(fù)載補(bǔ)償可以改善鏈路上的信號(hào)質(zhì)量？下面就通過(guò)對(duì)鏈路阻抗的觀察分析進(jìn)行闡述。
分別提取上面鏈路中支路走線做容性負(fù)載補(bǔ)償前后的S參數(shù)，利用仿真軟件看鏈路TDR詳情如下，探測(cè)點(diǎn)選在主控一端。藍(lán)色曲線是未做容性負(fù)載補(bǔ)償?shù)逆溌纷杩梗瑓^(qū)域1主干道阻抗是40Ω，分支部分阻抗最低約32Ω，區(qū)域2平均阻抗大致為34Ω。紅色曲線是做容性負(fù)載補(bǔ)償?shù)逆溌纷杩菇Y(jié)果，分支部分剛開始的阻抗趨向50Ω,但會(huì)馬上下降，分支部分阻抗最低約37Ω, 區(qū)域2平均阻抗大致為41Ω。
由上面的純鏈路阻抗結(jié)果分析可知，信號(hào)在分支部分感受到的阻抗會(huì)比實(shí)際走線阻抗偏低6-10Ω，而容性負(fù)載補(bǔ)償就是將分支部分的阻抗故意抬高，使得鏈路整體阻抗更趨于匹配。
前面我們只考慮了分支Stub和過(guò)孔的影響。除了這些影響因素，芯片封裝電容和Die電容也是影響鏈路阻抗的重要原因，這些因素將導(dǎo)致鏈路阻抗更低。下面我們接著分析鏈路增加芯片寄生電容的影響。由于一般芯片的寄生電容值大致在3pF左右，故我們?cè)诿恳粋€(gè)負(fù)載位置掛一個(gè)3pF的電容來(lái)模擬芯片寄生電容的影響。下面是增加芯片寄生電容前后鏈路阻抗曲線結(jié)果。
由上面兩張阻抗曲線結(jié)果圖來(lái)看，芯片寄生電容的影響將導(dǎo)致鏈路阻抗再降低5Ω左右。沒有做容性負(fù)載補(bǔ)償時(shí)，信號(hào)在分支部分感受到的阻抗只有30Ω。而做了容性負(fù)載補(bǔ)償?shù)逆溌?，信?hào)在分支部分感受到的阻抗大致為35Ω，這可能比主干道的40Ω還是偏差較大，但也是更趨于接近了。
下圖是一個(gè)DDR一拖三Fly_By鏈路的阻抗測(cè)試結(jié)果，主干道和支路走線阻抗都控制在50Ω，沒有做容性負(fù)載補(bǔ)償處理。綠色曲線是光板阻抗測(cè)試結(jié)果，紅色曲線是貼了DDR顆粒的阻抗測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯龉獍迩闆r下分支部分阻抗會(huì)比主干道偏低3Ω，而增加了顆粒封裝寄生電容的影響，分支部分阻抗只有44Ω，比主干道阻抗偏低6Ω。
由以上測(cè)試和仿真結(jié)果分析可知，在多負(fù)載的Fly_By鏈路中，由于分支Stub，過(guò)孔寄生電容，芯片封裝電容和Die電容等因素，導(dǎo)致負(fù)載呈容性，使得信號(hào)在支路部分感受到的阻抗將會(huì)比實(shí)際走線阻抗偏低。而容性負(fù)載補(bǔ)償就是事先將支路部分走線阻抗做高，或者將主干線阻抗降低，用以平衡或者抵消容性負(fù)載導(dǎo)致阻抗偏低的影響，使得鏈路整體阻抗更趨近于匹配，從而改善信號(hào)質(zhì)量。
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