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DDR測(cè)試系列之三—— 某SDRAM時(shí)鐘分析案例

發(fā)布時(shí)間:2009-12-18 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)

中心議題:
  • 無源探頭原理 
  • 改善SDRAM信號(hào)質(zhì)量
解決方案:
  • 串聯(lián)匹配是較好的SDRAM的時(shí)鐘端接策略
  • 在原理圖設(shè)計(jì)中,需要加上串聯(lián)的電阻和并聯(lián)的電容
  • 無源探頭在高頻時(shí)阻抗太小,不能準(zhǔn)確的測(cè)量波形
  • 需要使用高帶寬的有源探頭


前個(gè)周末接到了一個(gè)朋友的電話,詢問我如果內(nèi)存有問題,需要測(cè)試哪些項(xiàng)目?對(duì)于這個(gè)很常見的問題,我習(xí)慣性的回答他先測(cè)量?jī)?nèi)存時(shí)鐘和讀寫時(shí)序看看,然后結(jié)束了通話。沒過一會(huì),我那朋友又打過來,告訴我他遇到一個(gè)怪事,他用探頭點(diǎn)測(cè)內(nèi)存時(shí)鐘時(shí),系統(tǒng)的程序不卡了,可以順利啟動(dòng)并運(yùn)行。聽到這個(gè)描述,我頓時(shí)感興趣了,開始仔細(xì)詢問待測(cè)試的電路和測(cè)試儀器。

待測(cè)試的電路板的內(nèi)存控制器為A公司的ARM架構(gòu)的MCU,內(nèi)存為Micron的SDRAM,內(nèi)存時(shí)鐘頻率為100MHz,測(cè)試儀器為某200M帶寬示波器,探頭為示波器標(biāo)配的無源探頭。在以往的探頭培訓(xùn)中,我曾多次給客戶講探頭的重要性,在我的幻燈片中有以下幾句話:

在把探頭連接到電路上時(shí),可能會(huì)發(fā)生下面三種情況:
1. 您可以把實(shí)際波形形狀傳送到示波器屏幕上。
2. 探頭可能會(huì)改變波形形狀,您會(huì)在示波器上觀察到不同形狀的信號(hào)。
3. 您可能會(huì)改變被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行(良好的設(shè)備可能會(huì)開始不能正確運(yùn)行,或反之)

顯然,今天我這位朋友遇到的情況正好滿足第三種的最后三個(gè)字,即探頭使運(yùn)行異常的設(shè)備變正常了。如果這樣的情況能經(jīng)常發(fā)生,想必每位加班debug電路的工程師都可以不再苦惱,只需一個(gè)合適的探頭就可以找到問題原因并解決問題了。
從無源探頭的原理來看,如圖1所示為常見的無源探頭的簡(jiǎn)化電路圖,通常示波器標(biāo)配的無源探頭的直流輸入電阻為10兆歐(探頭的9兆歐與示波器前端1兆歐串聯(lián)),輸入電容為10pf左右,與9兆歐電阻并聯(lián)。當(dāng)待測(cè)試信號(hào)的頻率較高時(shí),容抗隨著頻率升高而減小,所以無源探頭整體的輸入阻抗變小,當(dāng)頻率為100MHz時(shí),輸入阻抗為159歐。

 
回到和朋友的對(duì)話,既然無源探頭在100MHz時(shí)等效于100多歐的電阻,于是我建議他找個(gè)100歐的電阻并聯(lián)端接到內(nèi)存芯片的時(shí)鐘上,即時(shí)鐘信號(hào)接100歐電阻到地。十多分鐘后,朋友告訴我并聯(lián)100歐電阻后系統(tǒng)正常工作了,可以結(jié)束加班了。不過從示波器僅有的200MHz帶寬來看,是根本無法準(zhǔn)確測(cè)量100MHz的時(shí)鐘信號(hào)的,所以,我們約定幾天后把電路板帶到力科深圳的實(shí)驗(yàn)室用更高帶寬的示波器進(jìn)行測(cè)量,這樣可以準(zhǔn)確分析端接電阻前后的時(shí)鐘波形。

幾天后,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室重新測(cè)試了該系統(tǒng)的時(shí)鐘,測(cè)試儀器為SDA816Zi(帶寬16G,采樣率40G),探頭為ZS1500(帶寬1.5GHz)。由于待測(cè)試信號(hào)頻率僅為100MHz,所以通常1G以上示波器和探頭足以滿足需求(注:對(duì)于某些上升時(shí)間很快的時(shí)鐘,比如PCIExpress的100MHz時(shí)鐘,1GHz的帶寬是不夠的,需要更高帶寬的示波器)。下圖2左圖為未作端接時(shí)在SDRAM芯片端測(cè)量時(shí)鐘波形,右圖為靠近SDRAM顆粒并聯(lián)100歐電阻后的波形,兩者相比,前者的過沖高達(dá)7.8V,電路板不能正常工作;而后者過沖較小,電路板可以正常工作。

盡管并聯(lián)了100歐電阻后電路板能正常工作了,但是接收端測(cè)量到的峰峰值高達(dá)6.2V,對(duì)于SDRAM芯片3.3V的工作電壓來講還是比較大的,長(zhǎng)期工作可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存芯片出問題,所以,我們還需改進(jìn)端接策略。在信號(hào)完整性書籍中,通常有串聯(lián)匹配、并聯(lián)匹配、RC網(wǎng)絡(luò)、戴維南網(wǎng)絡(luò)等端接方法,如下圖3所示。相比并聯(lián)匹配,串聯(lián)匹配不用提供DC電流到地或者電源,不會(huì)對(duì)輸出的高低電平產(chǎn)生影響,能減小過沖和EMI,所以我們接著嘗試串聯(lián)匹配下的信號(hào)質(zhì)量。


由于電路中ARM的MCU輸出的一路100MHz時(shí)鐘要驅(qū)動(dòng)兩個(gè)SDRAM芯片,布線上MCU出來的時(shí)鐘剛出來就分成兩路后連向兩個(gè)SDRAM的時(shí)鐘引腳,所以我們采用了在兩路時(shí)鐘分支上同時(shí)串聯(lián)100歐電阻加并聯(lián)10pf電容的端接方法。在PCB上割線,焊上電阻和電容后測(cè)量的結(jié)果如下圖4所示,改進(jìn)后的時(shí)鐘峰峰值為3.44V,波形無過沖,信號(hào)質(zhì)量良好。電路板系統(tǒng)運(yùn)行正常。

下圖5所示為只串聯(lián)100歐電阻時(shí)測(cè)量到的波形,信號(hào)有過沖,峰峰值為5.35V,偏大,對(duì)比圖4的端接方法,串聯(lián)電阻加上并聯(lián)電容是較好的解決方法。

總結(jié):在這個(gè)案例中,我們得到的以下經(jīng)驗(yàn):

1、 串聯(lián)匹配是較好的SDRAM的時(shí)鐘端接策略,在原理圖設(shè)計(jì)中,需要加上串聯(lián)的電阻和并聯(lián)的電容,如果MCU輸出的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)能力弱,可以不使用并聯(lián)的電容或者換用較小的電阻。
2、 準(zhǔn)確的測(cè)量?jī)?nèi)存時(shí)鐘需要足夠帶寬的示波器和探頭,無源探頭在高頻時(shí)阻抗太小,不能準(zhǔn)確的測(cè)量波形,需要使用高帶寬的有源探頭。

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