分析和調(diào)試DDR I、II 和 III時(shí)鐘抖動(dòng)問(wèn)題

1、分析和調(diào)試DDR I、II 和 III時(shí)鐘抖動(dòng)問(wèn)題    摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte隨著 DDR（雙數(shù)據(jù)速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)器技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速

2、率迅速增長(zhǎng)，互通性正成為工程師面臨的巨大挑戰(zhàn)。從根本上講，互通性首先是從物理層開(kāi)始實(shí)施，而且其最重要的屬性之一是時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)性能。DDR 接口上的時(shí)鐘從存儲(chǔ)控制器傳輸?shù)?DDR 芯片，它是 DDR 系統(tǒng)上所有其他信號(hào)（例如選通信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、地址信號(hào)和命令信號(hào)）的參考。因此，擁有良好的時(shí)鐘抖動(dòng)性能至關(guān)重要，因?yàn)闀r(shí)鐘上的抖動(dòng)將轉(zhuǎn)移給其他信號(hào)。如果從一開(kāi)始時(shí)鐘的抖動(dòng)性能就很差，那么其他信號(hào)上的抖動(dòng)問(wèn)題也會(huì)非常明顯。抖動(dòng)如何影響 DDR 系統(tǒng)的性能？抖動(dòng)可以影響決策制定，因?yàn)樗鼤?huì)使邊沿的位置或信號(hào)的幅度發(fā)生移位，使其偏離理想位置。抖動(dòng)越大，邊緣或幅度偏離其理想位置就越遠(yuǎn)。在非理想位置上，DDR 系

3、統(tǒng)可能采集到錯(cuò)誤信息，從而極大地增加系統(tǒng)的比特誤碼率。最終，系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。對(duì)于更快的 DDR 速度，其窗口有效時(shí)間會(huì)更短，使這一問(wèn)題更加惡化，此時(shí)即使極小的抖動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致上述問(wèn)題。由于時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)于互通性如此重要，因此 JEDEC（電子工程設(shè)計(jì)發(fā)展聯(lián)合協(xié)會(huì)）已規(guī)定了時(shí)鐘必須遵守的許多個(gè)抖動(dòng)參數(shù)。其目的是確保抖動(dòng)數(shù)量處于容限范圍以內(nèi)，這樣 DDR 系統(tǒng)通信就不會(huì)中斷。依照該技術(shù)指標(biāo)，工程師所面臨的挑戰(zhàn)不僅僅是確保時(shí)鐘處于抖動(dòng)技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)，還要在時(shí)鐘不符合要求時(shí)進(jìn)行調(diào)試和查找抖動(dòng)源。本文將重點(diǎn)介紹一些在示波器中可用的工具和方法，它們可以幫助工程師快速執(zhí)行時(shí)鐘抖動(dòng)分析以及調(diào)試抖動(dòng)故障。這些工具和

4、方法對(duì)DDR 1、2 和 3 都適用。自動(dòng)時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)量這一長(zhǎng)串的抖動(dòng)測(cè)試技術(shù)指標(biāo)使得對(duì)時(shí)鐘波形的測(cè)量和分析非常耗時(shí)。最重要的是，抖動(dòng)分析有非常特殊的要求。DDR2 技術(shù)指標(biāo)JESD79-2D 要求示波器能夠在 200 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)分析多個(gè)周期間抖動(dòng)測(cè)量。一些抖動(dòng)測(cè)量是 tJIT(cc)、tERR(2per)、tERR(3per) 和 tJIT(duty) 等。雖然技術(shù)指標(biāo)中沒(méi)有提及，但是抖動(dòng)測(cè)量應(yīng)該在大量的時(shí)鐘周期內(nèi)重復(fù)進(jìn)行，通常為 5000 萬(wàn)時(shí)鐘周期，以確保穩(wěn)定性。正是由于這些要求，您顯然會(huì)面臨非常繁重的任務(wù)。幸運(yùn)的是，有些示波器提供了 DDR 一致性測(cè)試軟件，這些軟件可以根據(jù) JEDEC

5、 技術(shù)指標(biāo)自動(dòng)進(jìn)行時(shí)鐘測(cè)量和分析。您需要做的就是將時(shí)鐘信號(hào)輸入示波器，選擇時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試，然后執(zhí)行測(cè)試。軟件隨后將測(cè)量結(jié)果與 JEDEC 技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，并報(bào)告每個(gè)測(cè)試成功或失敗的情況（如圖 1 所示）。此類自動(dòng)測(cè)量的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以在一段較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行抖動(dòng)測(cè)試，以便包含大量需要分析的時(shí)鐘周期。這些應(yīng)用免除了您手動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的負(fù)擔(dān)，使您可以節(jié)省大量時(shí)間和精力。圖1：DDR2應(yīng)用顯示了時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試的結(jié)果。紅色表示失敗的測(cè)試，黃色表示剛好成功的測(cè)試。因此，此時(shí)鐘未達(dá)到JEDEC抖動(dòng)技術(shù)指標(biāo)，顯然需要進(jìn)行修正。使用抖動(dòng)分離法調(diào)試時(shí)鐘抖動(dòng)故障現(xiàn)在，運(yùn)行自動(dòng)測(cè)量工具聽(tīng)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但是如果像圖 1 所示

6、的情況那樣有時(shí)鐘抖動(dòng)故障，情況又會(huì)如何呢？當(dāng)出現(xiàn)此類情況時(shí)，解決問(wèn)題將會(huì)非常麻煩，因?yàn)槎秳?dòng)來(lái)源可能是多方面的。如果不能迅速縮小抖動(dòng)來(lái)源的范圍,則可能意味著您必須花費(fèi)好幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)嘗試確定抖動(dòng)源，這簡(jiǎn)直就像大海撈針。唯一的希望是示波器上有各種抖動(dòng)調(diào)試方法。最重要的一個(gè)方法是將時(shí)鐘的總體抖動(dòng)（TJ）分離成不同的抖動(dòng)成分（如圖 2 所示）。這種方法非常重要，因?yàn)槿绻軌蛑罆r(shí)鐘上的抖動(dòng)類型,就可以幫助您確定抖動(dòng)源。另外，您還可以測(cè)量每個(gè)抖動(dòng)類型的幅度，從而集中精力處理引起大部分抖動(dòng)的抖動(dòng)源。有些類型的抖動(dòng)可以從 TJ 中分離出來(lái)。時(shí)鐘上的隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）是由設(shè)計(jì)中的有源元器件的熱噪聲造成的，它是不

7、確定的，而且抖動(dòng)幅度是沒(méi)有邊界限制的。如果任其存在，將會(huì)給系統(tǒng)留下極大的問(wèn)題隱患，系統(tǒng)需要在非常高的比特誤碼率條件下工作。要確定是哪一個(gè)元器件引起的故障，您可以使用示波器探頭測(cè)量元器件的輸出。然后，使用抖動(dòng)分離法查看每個(gè)元器件所產(chǎn)生的 RJ 大小。在找到 RJ 輸出過(guò)大的元器件之后，您可以使用一個(gè)質(zhì)量良好的部件來(lái)替代它。當(dāng)然也有這樣的實(shí)例，質(zhì)量良好的部件本身生成的 RJ 就特別多。在這種情況下，您可能必須從其他廠商那里尋找一個(gè)質(zhì)量更好的元器件來(lái)改善 RJ 性能。另一類抖動(dòng)是占空比失真（DCD），這是確定性的抖動(dòng)，并且有邊界限制。導(dǎo)致它的原因是差分輸出之間的電壓偏置或差分信號(hào)路徑之間的扭曲失配。

8、電壓偏置是由信號(hào)路徑之間的阻抗失配和電壓電平的差異引起的。扭曲失配是因?yàn)橐粭l信號(hào)路徑過(guò)長(zhǎng)或者過(guò)短引起的，這會(huì)導(dǎo)致 DCD。您可以在存儲(chǔ)控制器和電路板設(shè)計(jì)版圖中解決這些問(wèn)題。周期抖動(dòng)（PJ）是由與高速時(shí)鐘信號(hào)相耦合的周期信號(hào)源或重復(fù)信號(hào)源引起的。它也是確定性的，并且有邊界限制。導(dǎo)致 PJ 的來(lái)源可能是開(kāi)關(guān)電源或振蕩器輸出。確定 PJ 源的方法將在下一節(jié)中討論。將抖動(dòng)分離成不同成分，可以幫助您縮小問(wèn)題范圍。通過(guò)報(bào)告每類抖動(dòng)的大小，可以幫助您劃分故障診斷的優(yōu)先級(jí)。圖2：TJ被分離成不同的抖動(dòng)成分，例如RJ、PJ和DCD。知道抖動(dòng)的類型和幅度可以幫助您縮小抖動(dòng)源范圍，并幫助您劃分故障診斷的優(yōu)先級(jí)。確定

9、源周期抖動(dòng)（PJ）時(shí)間間隔誤差（TIE）測(cè)量法可以提供深入的 PJ 分析。該工具首先采集實(shí)際的時(shí)鐘，然后通過(guò)對(duì)實(shí)際時(shí)鐘取平均值來(lái)生成參考時(shí)鐘，接著使用參考時(shí)鐘周期減去時(shí)鐘波形的每個(gè)周期，生成隨時(shí)間變化的時(shí)鐘誤差趨勢(shì)圖（如圖 3a 所示）。該時(shí)鐘誤差趨勢(shì)包括實(shí)際時(shí)鐘的時(shí)域抖動(dòng)信息。在時(shí)域中分析誤差趨勢(shì)可能非常困難，因此可以對(duì)時(shí)鐘誤差趨勢(shì)進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT），以便在頻域中查看抖動(dòng)。在圖 3a 中，可以觀察到頻譜上的尖峰信號(hào)，它表示與時(shí)鐘耦合的抖動(dòng)的頻率。頻率尖峰信號(hào)越高，造成的抖動(dòng)越大。您可以觀察到有 3 個(gè)突出的尖峰信號(hào)（在紅色圓圈中）。由于尖峰信號(hào)是窄帶的，所以它們是正弦信號(hào)，通常是振

10、蕩器的輸出。如圖 3b 所示，使用示波器游標(biāo)，您可以得到尖峰信號(hào)的頻率分別為 12.5MHz、25MHz 和 50MHz。仔細(xì)檢查電路板設(shè)計(jì)之后，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這些尖峰信號(hào)與在這 3 個(gè)頻率上工作的 3 個(gè)振蕩器有關(guān)。由于信號(hào)路徑之間沒(méi)有足夠的隔離，這些尖峰信號(hào)與時(shí)鐘相耦合。要解決這個(gè)問(wèn)題，您需要加強(qiáng)信號(hào)之間的隔離。在抖動(dòng)頻譜的下端，抖動(dòng)集中在一起，您很難觀察或分析突出的尖峰信號(hào)（在圖 3a 中的藍(lán)色圓圈中）。這可能是由非正弦信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)或低頻信號(hào)（例如開(kāi)關(guān)電源或低頻信號(hào)通信）引起的。有時(shí)由于某些示波器的通道存儲(chǔ)器深度有限，無(wú)法捕獲一個(gè)周期的低頻抖動(dòng)，所以低頻抖動(dòng)只是間歇性地出現(xiàn)。克服這個(gè)問(wèn)題的一

11、個(gè)方法是使用時(shí)域中的時(shí)鐘誤差趨勢(shì)的平均值。這種方法與低通濾波器基本相同。通過(guò)均衡誤差趨勢(shì)的高頻分量，只留下低頻圖。現(xiàn)在，您可以輕松地繪制低頻抖動(dòng)圖。使用游標(biāo)，您能夠確定抖動(dòng)的頻率。圖 3c 中顯示的頻率大約是 180kHz。這就能夠確定工作頻率為 180kHz 的開(kāi)關(guān)電源的抖動(dòng)被耦合到了時(shí)鐘信號(hào)中。此時(shí)，您還是要加強(qiáng)隔離以降低信號(hào)耦合。通過(guò)進(jìn)行時(shí)間間隔誤差測(cè)量，您可以從周期波形中快速確定抖動(dòng)源，并將問(wèn)題反饋給設(shè)計(jì)工程師。圖3a：直方圖中顯示了時(shí)間間隔誤差（TIE），時(shí)域中為時(shí)鐘誤差趨勢(shì)，頻域中為抖動(dòng)頻率。圖3b：使用游標(biāo)可以測(cè)量頻域上的尖峰信號(hào)。它們分別是12.5MHz、25MHz和50MHz。這些抖動(dòng)成分與設(shè)計(jì)中的振蕩器有關(guān)，這