DDR2和DDR3的PCB信号完整性设计

IC老和尚

作为电子与通信工程及其相关的资料。对于那些从事软硬件开发、集成电路设计、系统设计的工程技术人员来说也是一本很好的文章。
　　它主要涉及到对DDR2和DDR3在设计印制线路板(PCB)时，考虑信号完整性和电源完整性的设计事项，这些是具有相当大的挑战性的。文章重点是讨论在尽可能少的PCB层数，特别是4层板的情况下的相关技术，其中一些设计方法在以前已经成熟的使用过。
5 D$ n5 u2 I. W6 x; }　　1. 介绍
　　目前，比较普遍使用中的DDR2的速度已经高达800 Mbps，甚至更高的速度，如1066 Mbps，而DDR3的速度已经高达1600 Mbps。对于如此高的速度，从PCB的设计角度来讲，要做到严格的时序匹配，以满足波形的完整性，这里有很多的因素需要考虑，所有的这些因素都是会互相影响的，但是，它们之间还是存在一些个性的，它们可以被分类为PCB叠层、阻抗、互联拓扑、时延匹配、串扰、电源完整性和时序，目前，有很多EDA工具可以对它们进行很好的计算和仿真，其中cadence allegro SI-230 和 Ansoft’s HFSS 使用的比较多。

　　表1显示了DDR2和DDR3所具有的共有技术要求和专有的技术要求。
! c/ j/ V" m  t3 v　　2. PCB的叠层(stackup)和阻抗
0 s, m+ k* ^# A! [8 r! ^& p　　对于一块受PCB层数约束的基板(如4层板)来说，其所有的信号线只能走在TOP和BOTTOM层，中间的两层，其中一层为GND平面层，而另一层为 VDD 平面层，Vtt和Vref在VDD平面层布线。而当使用6层来走线时，设计一种专用拓扑结构变得更加容易，同时由于Power层和GND层的间距变小了，从而提高了PI。
# n) l: z$ J+ M; @/ I9 W# g/ s　　互联通道的另一参数阻抗，在DDR2的设计时必须是恒定连续的，单端走线的阻抗匹配电阻50 Ohms必须被用到所有的单端信号上，且做到阻抗匹配，而对于差分信号，100 Ohms的终端阻抗匹配电阻必须被用到所有的差分信号终端，比如CLOCK和DQS信号。另外，所有的匹配电阻必须上拉到VTT，且保持50 Ohms，ODT的设置也必须保持在50 Ohms。
　　在 DDR3的设计时，单端信号的终端匹配电阻在40和60 Ohms之间可选择的被设计到ADDR/CMD/CNTRL信号线上，这已经被证明有很多的优点。而且，上拉到VTT的终端匹配电阻根据SI仿真的结果的走线阻抗，电阻值可能需要做出不同的选择，通常其电阻值在30-70 Ohms之间。而差分信号的阻抗匹配电阻始终在100 Ohms。

　　3. 互联通路拓扑
/ z, ?4 X( \5 Q; F8 z　　对于DDR2和DDR3，其中信号DQ、DM和DQS都是点对点的互联方式，所以不需要任何的拓扑结构，然而列外的是，在multi-rank DIMMs(Dual In Line Memory Modules)的设计中并不是这样的。在点对点的方式时，可以很容易的通过ODT的阻抗设置来做到阻抗匹配，从而实现其波形完整性。而对于 ADDR/CMD/CNTRL和一些时钟信号，它们都是需要多点互联的，所以需要选择一个合适的拓扑结构，图2列出了一些相关的拓扑结构，其中Fly- By拓扑结构是一种特殊的菊花链，它不需要很长的连线，甚至有时不需要短线(Stub)。
　　对于DDR3，这些所有的拓扑结构都是适用的，然而前提条件是走线要尽可能的短。Fly-By拓扑结构在处理噪声方面，具有很好的波形完整性，然而在一个4 层板上很难实现，需要6层板以上，而菊花链式拓扑结构在一个4层板上是容易实现的。另外，树形拓扑结构要求AB的长度和AC的长度非常接近(如图2)。考虑到波形的完整性，以及尽可能的提高分支的走线长度，同事又要满足板层的约束要求，在基于4层板的DDR3设计中，合理的拓扑结构就是带有少短线(Stub)的菊花链式拓扑结构。

　　针对DDR2-800和DDR3的PCB信号完整性设计
; n1 [/ |. p" V' q( K　　对于DDR2-800，这所有的拓扑结构都适用，只是有少许的差别。然而，菊花链式拓扑结构被证明在SI方面是具有优势的。
　　对于超过两片的SDRAM，通常，是根据器件的摆放方式不同而选择相应的拓扑结构。图3显示了不同摆放方式而特殊设计的拓扑结构，在这些拓扑结构中，只有A和 D是适合4层板的PCB设计。然而，对于DDR2-800，所列的这些拓扑结构都能满足其波形的完整性，而在DDR3的设计中，特别是在1600 Mbps时，则只有D是满足设计的。

　　4. 时延的匹配
0 b9 R5 n6 [" w; H4 `　　在做到时延的匹配时，往往会在布线时采用trombone方式走线，另外，在布线时难免会有切换板层的时候，此时就会添加一些过孔。不幸的是，但所有这些弯曲的走线和带过孔的走线，将它们拉直变为等长度理想走线时，此时它们的时延是不等的，如图4所示。

　　显然，上面讲到的trombone方式在时延方面同直走线的不对等是很好理解的，而带过孔的走线就更加明显了。在中心线长度对等的情况下，trombone 走线的时延比直走线的实际延时是要来的小的，而对于带有过孔的走线，时延是要来的大的。这种时延的产生，这里有两种方法去解决它。一种方法是，只需要在 EDA工具里进行的时延匹配计算，然后控制走线的长度就可以了。而另一种方法是在可接受的范围内，减少不匹配度。
　　对于trombone线，时延的不对等可以通过增大L3的长度而降低，因为并行线间会存在耦合，其详细的结果，可以通过SigXP仿真清楚的看出，如图 5，L3(图中的S)长度的不同，其结果会有不同的时延，尽可能的加长S的长度，则可以更好的降低时延的不对等。对于微带线来说，L3大于7倍的走线到地的距离是必须的

     trombone线的时延是受到其并行走线之间的耦合而影响，一种在不需要提高其间距的情况下，并且能降低耦合的程度的方法是采用saw tooth线。显然，saw tooth线比trombone线具有更好的效果，但是，它需要更多的空间。由于各种可能造成时延不同的原因，所以，在实际的设计时，要借助于CAD工具进行严格的计算，从而控制走线的时延匹配。
　　考虑到在图2中6层板上的过孔的因素，当一个地过孔靠近信号过孔放置时，则在时延方面的影响是必须要考虑的。先举个例子，在TOP层的微带线长度是 150 mils，BOTTOM层的微带线也是150 mils，线宽都为4 mils，且过孔的参数为：barrel diameter=”8mils”,pad diameter=”18mils”,anti-pad diameter=”26mils”。
　　这里有三种方案进行对比考虑，一种是，通过过孔互联的这个过孔附近没有任何地过孔，那么，其返回路径只能通过离此过孔250 mils的PCB边缘来提供;第二种是，一根长达362 mils的微带线;第三种是，在一个信号线的四周有四个地过孔环绕着。图6显示了带有60 Ohm的常规线的S-Parameters，从图中可以看出，带有四个地过孔环绕的信号过孔的S-Parameters就像一根连续的微带线，从而提高了 S21特性。由此可知，在信号过孔附近缺少返回路径的情况下，则此信号过孔会大大增高其阻抗。当今的高速系统里，在时延方面显得尤为重要。

　　现做一个测试电路，类似于图5，驱动源是一个线性的60 Ohms阻抗输出的梯形信号，信号的上升沿和下降沿均为100 ps，幅值为1V。此信号源按照图6的三种方式，且其端接一60 Ohms的负载，其激励为一800 MHz的周期信号。在0.5V这一点，我们观察从信号源到接收端之间的时间延迟，显示出来它们之间的时延差异。其结果如图7所示，在图中只显示了信号的上升沿，从这图中可以很明显的看出，带有四个地过孔环绕的过孔时延同直线相比只有3 ps，而在没有地过孔环绕的情况下，其时延是8 ps。由此可知，在信号过孔的周围增加地过孔的密度是有帮助的。然而，在4层板的PCB里，这个就显得不是完全的可行性，由于其信号线是靠近电源平面的，这就使得信号的返回路径是由它们之间的耦合程度来决定的。所以，在4层的PCB设计时，为符合电源完整性(power integrity)要求，对其耦合程度的控制是相当重要的。
0 M+ ~& Q6 ^7 g　　对于DDR2和DDR3，时钟信号是以差分的形式传输的，而在DDR2里，DQS信号是以单端或差分方式通讯取决于其工作的速率，当以高度速率工作时则采用差分的方式。显然，在同样的长度下，差分线的切换时延是小于单端线的。根据时序仿真的结果，时钟信号和DQS也许需要比相应的ADDR/CMD /CNTRL和DATA线长一点。另外，必须确保时钟线和DQS布在其相关的ADDR/CMD/CNTRL和DQ线的当中。由于DQ和DM在很高的速度下传输，所以，需要在每一个字节里，它们要有严格的长度匹配，而且不能有过孔。差分信号对阻抗不连续的敏感度比较低，所以换层走线是没多大问题的，在布线时优先考虑布时钟线和DQS。
　　5. 串扰
" O6 ]3 p. N  q, V$ F　　在设计微带线时，串扰是产生时延的一个相当重要的因素。通常，可以通过加大并行微带线之间的间距来降低串扰的相互影响，然而，在合理利用走线空间上这是一个很大的弊端，所以，应该控制在一个合理的范围里面。典型的一个规则是，并行走线的间距大于走线到地平面的距离的两倍。另外，地过孔也起到一个相当重要的作用，图8显示了有地过孔和没地过孔的耦合程度，在有多个地过孔的情况下，其耦合程度降低了7 dB。考虑到互联通路的成本预算，对于两边进行适当的仿真是必须的，当在所有的网线上加一个周期性的激励，将会由串扰产生的信号抖动，通过仿真，可以在时域观察信号的抖动，从而通过合理的设计，综合考虑空间和信号完整性，选择的走线间距。
$ w. n9 w0 \5 Y1 n  f, p　　6. 电源完整性
　　这里的电源完整性指的是在的信号切换情况下，其电源的容差性。当未符合此容差要求时，将会导致很多的问题，比如加大时钟抖动、数据抖动和串扰。
　　这里，可以很好的理解与去偶相关的理论，现在从”目标阻抗”的公式定义开始讨论。
1 H# T) m# O" Z" @6 `4 X. i# q: h: \　　Ztarget=Voltage tolerance/Transient Current (1)
　　在这里，关键是要去理解在差的切换情况下瞬间电流(Transient Current)的影响，另一个重要因素是切换的频率。在所有的频率范围里，去耦网络必须确保它的阻抗等于或小于目标阻抗(Ztarget)。在一块 PCB上，由电源和地层所构成的电容，以及所有的去耦电容，必须能够确保在100KHz左右到100-200MH左右之间的去耦作用。频率在 100KHz以下，在电压调节模块里的大电容可以很好的进行去耦。而频率在200MHz以上的，则应该由片上电容或专用的封装好的电容进行去耦。实际的电源完整性是相当复杂的，其中要考虑到IC的封装、仿真信号的切换频率和PCB耗电网络。对于PCB设计来说，目标阻抗的去耦设计是相对来说比较简单的，也是比较实际的解决方案。
. H- z4 H6 C. w! g, w8 D6 P, l! z$ U　　在 DDR的设计上有三类电源，它们是VDD、VTT和Vref。VDD的容差要求是5%，而其瞬间电流从Idd2到Idd7大小不同，详细在JEDEC里有叙述。通过电源层的平面电容和专用的一定数量的去耦电容，可以做到电源完整性，其中去耦电容从10nF到10uF大小不同，共有10个左右。另外，表贴电容合适，它具有更小的焊接阻抗。
9 s9 H; O1 b6 A) ^, J9 o0 {# g# E0 u2 o　　Vref要求更加严格的容差性，但是它承载着比较小的电流。显然，它只需要很窄的走线，且通过一两个去耦电容就可以达到目标阻抗的要求。由于Vref相当重要，所以去耦电容的摆放尽量靠近器件的管脚。
, D* T5 N  Q+ ]+ F' T% a; V( u　　然而，对VTT的布线是具有相当大的挑战性，因为它不只要有严格的容差性，而且还有很大的瞬间电流，不过此电流的大小可以很容易的就计算出来。终，可以通过增加去耦电容来实现它的目标阻抗匹配。
　　在4层板的PCB里，层之间的间距比较大，从而失去其电源层间的电容优势，所以，去耦电容的数量将大大增加，尤其是小于10 nF的高频电容。详细的计算和仿真可以通过EDA工具来实现。
; \( ]' b7 ^  F  n8 u' r4 c　　7. 时序分析
* u8 \- e2 W  D, b　　对于时序的计算和分析在一些相关文献里有详细的介绍，下面列出需要设置和分析的8个方面：
　　1. 写建立分析：DQ vs. DQS
; ~2 t& E( g& @/ e　　2. 写保持分析：DQ vs. DQS
6 N+ j* |$ L7 y( D　　3. 读建立分析：DQ vs. DQS
0 O8 x) l* z4 e3 N　　4. 读保持分析：DQ vs. DQS
$ U$ P3 B4 g/ b1 {8 a6 v$ E　　5. 写建立分析：DQS vs. CLK
　　6. 写保持分析：DQS vs. CLK
0 C$ D6 y+ m* v$ I5 ~# O　　7. 写建立分析：ADDR/CMD/CNTRL vs. CLK
, k2 E7 ?  k* U( L2 r5 D: a1 a　　8. 写保持分析：ADDR/CMD/CNTRL vs. CLK
　　表2举了一个针对写建立(Write Setup)分析的例子。表中的一些数据需要从控制器和存储器厂家获取，段”Interconnect”的数据是取之于SI仿真工具。对于DDR2上面所有的8 项都是需要分析的，而对于DDR3，5项和6项不需要考虑。在PCB设计时，长度方面的容差必须要保证total margin是正的。

　　8. PCB Layout
  G, _; B$ \( W- |　　在实际的PCB设计时，考虑到SI的要求，往往有很多的折中方案。通常，需要优先考虑对于那些对信号的完整性要求比较高的。画PCB时，当考虑一下的一些相关因素，那么对于设计PCB来说可靠性就会更高。
- l: d2 i; a, P+ Z# H' H6 N2 ~7 l　　1. 首先，要在相关的EDA工具里要设置好里设置好拓扑结构和相关约束。
$ N/ b8 v" U/ m2 g1 `& t　　2. 将BGA引脚突围，将ADDR/CMD/CNTRL引脚布置在DQ/DQS/DM字节组的中间，由于所有这些分组操作，为了尽可能少的信号交叉，一些独立的管脚也许会被交换到其它区域布线。
　　3. 由串扰仿真的结果可知，尽量减少短线(stubs)长度。通常，短线(stubs)是可以被削减的，但不是所有的管脚都做得到的。在BGA焊盘和存储器焊盘之间也许只需要两段的走线就可以实现了，但是此走线必须要很细，那么就提高了PCB的制作成本，而且，不是所有的走线都只需要两段的，除非使用微小的过孔和盘中孔的技术。终，考虑到信号完整性的容差和成本，可能选择折中的方案。
; H# J) v, H) r5 ]) I' r( W　　4. 将Vref的去耦电容靠近Vref管脚摆放;Vtt的去耦电容摆放在远的一个SDRAM外端;VDD的去耦电容需要靠近器件摆放。小电容值的去耦电容需要更靠近器件摆放。正确的去耦设计中，并不是所有的去耦电容都是靠近器件摆放的。所有的去耦电容的管脚都需要扇出后走线，这样可以减少阻抗，通常，两端段的扇出走线会垂直于电容布线。
　　5. 当切换平面层时，尽量做到长度匹配和加入一些地过孔，这些事先应该在EDA工具里进行很好的仿真。通常，在时域分析来看，差分线里的两根线的要做到延时匹配，保证其误差在+/- 2ps，而其它的信号要做到+/- 10 ps。
　　9. DIMM
' S6 b0 h: t6 a  C8 L8 I" e　　之前介绍的大部分规则都适合于在PCB上含有一个或更多的DIMM，列外的是在DIMM里所要考虑到去耦因素同在DIMM组里有所区别。在DIMM组里，对于ADDR/CMD/CNTRL所采用的拓扑结构里，带有少的短线菊花链拓扑结构和树形拓扑结构是适用的。
　　10.
$ ]! F# }8 [# Q2 H0 I& ~6 t　　上面所介绍的相关规则，在DDR2 PCB、DDR3 PCB和DDR3-DIMM PCB里，都已经得到普遍的应用。在下面的中，我们采用MOSAID公司的控制器，它提供了对DDR2和DDR3的操作功能。在SI仿真方面，采用了 IBIS模型，其存储器的模型来自MICRON Technolgy,Inc，对于DDR3 SDRAM的模型提供了1333 Mbps的速率。在这里，数据是操作是在1600 Mbps下的。对于不带缓存(unbuffered)的DIMM

(MT_DDR3_0542cc)EBD模型是来自Micron Technology，下面所有的波形都是采用通常的测试方法，且是在SDRAM die级进行计算和仿真的。图

2所示的6层板里，只在TOP和BOTTOM层进行了布线，存储器由两片的SDRAM以菊花链的方式所构成。而在DIMM的里，只有一个不带缓存的DIMM被使用。图9-11是对TOP/BOTTOM层布线的一个闪照图和信号完整性仿真图。
/ j" q+ L. y5 }　　(左边的是ADDRESS和CLOCK网络，右边的是DATA和DQS网络，其时钟频率在800 MHz，数据通信率为1600Mbps)

　　(左边的是ADDRESS和CLOCK网络，右边的是DATA和DQS网络，其时钟频率在400 MHz，数据通信率为800Mbps)
5 ~) `# X  ?/ ~' I& @　　(左边的是ADDRESS和CLOCK网络，右边的是DATA和DQS网络)
　　，图12显示了两个经过比较过的数据信号眼图，一个是仿真的结果，而另一个是实际测量的。在上面的所有里，波形的完整性的完美程度都是令人兴奋的。

　　11. 结论
: z. B) e( p1 x　　本文，针对DDR2/DDR3的设计，SI和PI的各种相关因素都做了全面的介绍。对于在4层板里设计800 Mbps的DDR2和DDR3是可行的，但是对于DDR3-1600 Mbps是具有很大的挑战性。

4 u' y# P) G3 \  P  E, f& b( A

homn

重点是讨论在尽可能少的PCB层数，特别是4层板的情况下的相关技术，其中一些设计方法在以前已经成熟的使用过。

bessyh

介绍的蛮详细的，现在已经是 DDR4升级到DDR5了，有些规范更严格了

bessyh

需要讨论的问题也更多了