樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

樹形拓?fù)湟彩且环N非常常見(jiàn)的拓?fù)洌?a target="_blank">DDR2的內(nèi)存條中地址控制信號(hào)經(jīng)常使用這種拓?fù)洹ｋm然現(xiàn)在信號(hào)的速率越來(lái)越高，DDR5的速率已經(jīng)達(dá)到了6400Mbps，早已不再使用樹形拓?fù)?。但學(xué)習(xí)樹形拓?fù)洌私馄渲械脑O(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)也有助于我們分析解決其它信號(hào)完整性問(wèn)題。

01

樹型拓?fù)浣榻B

對(duì)于DDR2接口以及DDR2的DIMM設(shè)計(jì)中，地址控制信號(hào)通常使用的是樹型拓?fù)?。如下圖所示即為樹型拓?fù)涞氖疽鈭D，樹型拓?fù)湟彩且环N對(duì)稱拓?fù)?，相?duì)于遠(yuǎn)端簇拓?fù)鋪?lái)說(shuō)樹型拓?fù)浞种c(diǎn)處的阻抗突變要比較小。但是很明顯樹型拓?fù)涞姆种c(diǎn)要多很多，這就限制了樹型拓?fù)涞膽?yīng)用。

下面以上圖所示的八個(gè)負(fù)載的拓?fù)錇槔龑?duì)樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)做一個(gè)簡(jiǎn)單的歸納：

（1）負(fù)載越多分支點(diǎn)越多，上圖鏈路中有T0、T1_1\\T1_2、T2_1~T2_4一共七個(gè)分支點(diǎn)為阻抗不連續(xù)點(diǎn)；

（2）假設(shè)所有傳輸線阻都為Z0，每個(gè)分支點(diǎn)前后的阻抗突變固定。分支點(diǎn)前阻抗為，信號(hào)到達(dá)分支點(diǎn)后感受到的阻抗為兩條分支線的并聯(lián)阻抗，即：

可以計(jì)算得到在分支點(diǎn)處入射波反射系數(shù)均為-。

（3）此外，從各個(gè)負(fù)載反射回源端的反射信號(hào)到達(dá)各個(gè)分支點(diǎn)會(huì)發(fā)生反射，且各個(gè)分支點(diǎn)之間也會(huì)有反射信號(hào)。如果T0到T1_1\\T1_2的延時(shí)、T1_1\\T1_2到T2_1T2_4的延時(shí)以及T2_1T2_4到各個(gè)負(fù)載的延時(shí)過(guò)大（超過(guò)信號(hào)上升時(shí)間的1/3,體現(xiàn)明顯的傳輸線效應(yīng)）都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量的惡化。

（4）當(dāng)T1_1和T1_2、T2_1~T2_4控制嚴(yán)格等長(zhǎng)的情況下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱各個(gè)負(fù)載接收波形一致性很好。

02

樹型拓?fù)?a target="_blank">仿真分析

我們?cè)?a target="_blank">ADS中搭建DDR2地址信號(hào)的仿真電路進(jìn)行分析。驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載的選型與遠(yuǎn)端簇仿真分析相同。對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的線長(zhǎng)做如下設(shè)置：（1）TL0=2000mil，(2) TL1_1\\TL1_2長(zhǎng)度為1000mil;(3)TL2_1TL2_4長(zhǎng)度為700mil；（4）TL3_1TL3_8長(zhǎng)度為500mil。

圖1.樹型拓?fù)銩DS仿真電路

圖2. 速率400Mbps，各個(gè)負(fù)載的仿真波形

信號(hào)邊沿單調(diào)、但是由于負(fù)載過(guò)重負(fù)載端接收的信號(hào)邊沿過(guò)緩，這是由于樹型拓?fù)溥@種一分二、二分四的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得整個(gè)拓?fù)渲胁季€的總長(zhǎng)度會(huì)非常長(zhǎng)也使布線引起的容性負(fù)載會(huì)非常大。如果PCB設(shè)計(jì)中允許雙面布局我們可以將負(fù)載1和2、3和4、5和6、7和8分別進(jìn)行正反對(duì)貼布局，也就是top面布負(fù)載1、3、5、7，bottom面布局負(fù)載2、4、6、8。這樣的話可以極大地縮小布局面積和每一級(jí)分支的布線長(zhǎng)度，減小布線的容性效益。

另外，同樣需要注意分支布線的延時(shí)過(guò)大會(huì)在信號(hào)邊沿產(chǎn)生回溝或者臺(tái)階影響數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)序裕量和時(shí)鐘信號(hào)的邊沿單調(diào)性。尤其是TL3_1~TL3_8的布線長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響非常大，有興趣的讀者可以自行驗(yàn)證。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)則也更加復(fù)雜，信號(hào)完整性工程師需要綜合器件的布局和層疊設(shè)置等因素給出信號(hào)質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)線路各個(gè)部分的阻抗、分支長(zhǎng)度等作出詳細(xì)的約束規(guī)則，否則很容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗。

02

樹型拓?fù)涞淖冃?/h2>

樹型拓?fù)涞囊环侄⒍炙牡耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)使得負(fù)載的數(shù)量必須是2、4、8、16等值，也就是 2的n次方（n為正整數(shù)）。但在實(shí)際的應(yīng)用中通常會(huì)遇到負(fù)載的個(gè)數(shù)不是的情況。比如說(shuō)帶有ECC功能的DDR2接口。對(duì)于一個(gè)64位的DDR2總線需要8片8位的DDR2顆粒組成，但如果要增加ECC功能就需要再增加一片DDR，此時(shí)整個(gè)拓?fù)涞呢?fù)載個(gè)數(shù)就是9個(gè)。那么我們應(yīng)該為地址控制信號(hào)選擇什么樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以使信號(hào)質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。在控制器和內(nèi)存顆粒的布局時(shí)，我們通常是將ECC DDR2顆粒布局在最中間的位置。如下所示：

此時(shí)我們?cè)诓季€時(shí)最容易選擇的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是將ECC芯片的fanout過(guò)孔作為地址控制信號(hào)樹型拓?fù)涞牡谝粋€(gè)分支點(diǎn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看起來(lái)似乎很是最合理的，相對(duì)于樹型拓?fù)涓膭?dòng)很小，并不會(huì)改變?cè)械牟季€層疊設(shè)置，不會(huì)因?yàn)槎喑龅囊黄珼DR導(dǎo)致布線層數(shù)的增加，而且拓?fù)鋵?duì)稱性好。但事實(shí)上這種拓?fù)涫欠衲軌驖M足信號(hào)完整性要求呢？

圖3.一驅(qū)九的DDR2拓?fù)?/p>

在圖.3樹型拓?fù)涞幕A(chǔ)上按照?qǐng)D.3樹型拓?fù)渥冃退镜姆绞皆黾右粋€(gè)ECC DDR負(fù)載9，設(shè)置TL9布線長(zhǎng)度為100mil進(jìn)行仿真（僅為fanout線長(zhǎng)度）。仿真的結(jié)果顯示負(fù)載1~8的接收波形完全一致能夠滿足信號(hào)質(zhì)量的要求，但是負(fù)載9的接收波形無(wú)論是信號(hào)的邊沿還是高低電平處都存在著很多的回溝振蕩嚴(yán)重影響信號(hào)的噪聲裕量和時(shí)序裕量。

圖4.樹型拓?fù)渥冃头抡娼Y(jié)果（TL9 = 100mil）

圖5.（左）負(fù)載9的接收眼圖；（右）負(fù)載1的接收眼圖

負(fù)載1~8的波形非常一致而且信號(hào)質(zhì)量非常好這并不難理解，但為什么負(fù)載9接收的信號(hào)質(zhì)量最差呢？

其實(shí)無(wú)論拓?fù)渲杏袥](méi)有負(fù)載9在第一個(gè)分支點(diǎn)T0處信號(hào)波形都是很差的，我們可以在8個(gè)負(fù)載的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行驗(yàn)證觀測(cè)一下T0點(diǎn)的信號(hào)波形。究其原因就是因?yàn)門0點(diǎn)作為第一個(gè)分支點(diǎn)是拓?fù)涞闹鞲陕飞系姆种c(diǎn)，所有負(fù)載、以及其它分支點(diǎn)處發(fā)生的反射都會(huì)匯聚到這一點(diǎn)，從而對(duì)這一點(diǎn)附近的負(fù)載接收信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響。

如果這樣的話是否可以考慮將TL9的長(zhǎng)度設(shè)置為2300mil（TL3+TL2+TL1）這樣負(fù)載9到分支點(diǎn)的延時(shí)從表面上來(lái)看就和其它負(fù)載一致了。我們?cè)賮?lái)看一下仿真結(jié)果，點(diǎn)虛線為負(fù)載9接收波形、實(shí)線為其它負(fù)載接收波形。

圖6.樹型拓?fù)渥冃头抡娼Y(jié)果（TL9 = 2300mil）

調(diào)整TL9長(zhǎng)度后并沒(méi)有使負(fù)載9的信號(hào)質(zhì)量好轉(zhuǎn)，反而使其它負(fù)載的信號(hào)質(zhì)量也惡化了。由此我們可以得出結(jié)論：將ECC芯片放在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中間并不合適，我們需要重新設(shè)計(jì)地址控制線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

有人可能會(huì)提出我們可以采用一分三、三分九的拓?fù)溥@樣應(yīng)該可以解決現(xiàn)在的問(wèn)題。但需要注意這樣做會(huì)導(dǎo)致PCB設(shè)計(jì)難度甚至PCB板成本的提高，如果有興趣可以自行驗(yàn)證一下。