一文輕松讓你秒懂DDR硬件設(shè)計(jì)

DDR硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、電源 DDR的電源可以分為三類(lèi)：

a、主電源VDD和VDDQ，主電源的要求是VDDQ=VDD，VDDQ是給IO buffer供電的電源，VDD是給但是一般的使用中都是把VDDQ和VDD合成一個(gè)電源使用。

有的芯片還有VDDL，是給DLL供電的，也和VDD使用同一電源即可。電源設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮電壓，電流是否滿(mǎn)足要求，電源的上電順序和電源的上電時(shí)間，單調(diào)性等。電源電壓的要求一般在±5%以?xún)?nèi)。電流需要根據(jù)使用的不同芯片，及芯片個(gè)數(shù)等進(jìn)行計(jì)算。由于DDR的電流一般都比較大，所以PCB設(shè)計(jì)時(shí)，如果有一個(gè)完整的電源平面鋪到管腳上，是最理想的狀態(tài)，并且在電源入口加大電容儲(chǔ)能，每個(gè)管腳上加一個(gè)100nF~10nF的小電容濾波。

b、參考電源Vref，參考電源Vref要求跟隨VDDQ，并且Vref=VDDQ/2，所以可以使用電源芯片提供，也可以采用電阻分壓的方式得到。由于Vref一般電流較小，在幾個(gè)mA~幾十mA的數(shù)量級(jí)，所以用電阻分壓的方式，即節(jié)約成本，又能在布局上比較靈活，放置的離Vref管腳比較近，緊密的跟隨VDDQ電壓，所以建議使用此種方式。需要注意分壓用的電阻在100~10K均可，需要使用1%精度的電阻。 Vref參考電壓的每個(gè)管腳上需要加10nF的點(diǎn)容濾波，并且每個(gè)分壓電阻上也并聯(lián)一個(gè)電容較好。

C、用于匹配的電壓VTT(Tracking Termination Voltage)

VTT為匹配電阻上拉到的電源，VTT=VDDQ/2。DDR的設(shè)計(jì)中，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，有的設(shè)計(jì)使用不到VTT，如控制器帶的DDR器件比較少的情況下。如果使用VTT，則VTT的電流要求是比較大的，所以需要走線(xiàn)使用銅皮鋪過(guò)去。并且VTT要求電源即可以吸電流，又可以灌電流才可以。一般情況下可以使用專(zhuān)門(mén)為DDR設(shè)計(jì)的產(chǎn)生VTT的電源芯片來(lái)滿(mǎn)足要求。

而且，每個(gè)拉到VTT的電阻旁一般放一個(gè)10Nf~100nF的電容，整個(gè)VTT電路上需要有uF級(jí)大電容進(jìn)行儲(chǔ)能。

在華為的設(shè)計(jì)中，在使用DDR顆粒的情況下，已經(jīng)基本全部不使用VTT電源，全部采用電阻上下拉的戴維南匹配，只有在使用內(nèi)存條的情況下才使用VTT電源。

一般情況下，DDR的數(shù)據(jù)線(xiàn)都是一驅(qū)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且DDR2和DDR3內(nèi)部都有ODT做匹配，所以不需要拉到VTT做匹配即可得到較好的信號(hào)質(zhì)量。DDR2的地址和控制信號(hào)線(xiàn)如果是多負(fù)載的情況下，會(huì)有一驅(qū)多，并且內(nèi)部沒(méi)有ODT，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為走T型的結(jié)構(gòu)，所以常常需要使用VTT進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量的匹配控制。DDR3可以采用Fly-by方式走線(xiàn)：

一個(gè)DDR3設(shè)計(jì)案例，來(lái)分析對(duì)比采用高阻抗負(fù)載走線(xiàn)和采用主線(xiàn)和負(fù)載走線(xiàn)同阻抗兩種情況的差異。

如上圖，Case1采用的是從內(nèi)層控制器到各個(gè)SDRAM均為50ohm的阻抗設(shè)計(jì)。Case2則采用了主線(xiàn)40ohm,負(fù)載線(xiàn)60ohm的設(shè)計(jì)。對(duì)此通過(guò)仿真工具進(jìn)行對(duì)比分析。

從以上仿真波形可以看出，使用較高阻抗負(fù)載走線(xiàn)的Case2在信號(hào)質(zhì)量上明顯優(yōu)于分支主線(xiàn)都采用同一種阻抗的Case1設(shè)計(jì)。而且對(duì)靠近驅(qū)動(dòng)端的負(fù)載影響最大，遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)端的最末端的負(fù)載影響較小。這個(gè)正是前面所分析到的，負(fù)載的分布電容導(dǎo)致了負(fù)載線(xiàn)部分的阻抗降低，如果采用主線(xiàn)和負(fù)載線(xiàn)同阻抗設(shè)計(jì)，反而導(dǎo)致了阻抗不連續(xù)的發(fā)生。把負(fù)載走線(xiàn)設(shè)計(jì)為較高的阻抗，用于平衡負(fù)載引入的分布電容，從而可以達(dá)到整條走線(xiàn)阻抗平衡的目的。

通過(guò)提高負(fù)載走線(xiàn)阻抗來(lái)平衡負(fù)載電容的做法，其實(shí)在以往的菊花鏈設(shè)計(jì)中是經(jīng)常用到的方法。DDR3稱(chēng)這種拓?fù)錇閒ly-by，其實(shí)是有一定的含義的，意在強(qiáng)調(diào)負(fù)載stub走線(xiàn)足夠的短。

2. 時(shí)鐘

DDR的時(shí)鐘為差分走線(xiàn)，一般使用終端并聯(lián)100歐姆的匹配方式，差分走線(xiàn)差分對(duì)控制阻抗為100ohm，單端線(xiàn)50ohm。需要注意的是，差分線(xiàn)也可以使用串聯(lián)匹配，使用串聯(lián)匹配的好處是可以控制差分信號(hào)的上升沿緩度，對(duì)EMI可能會(huì)有一定的作用。

3. 數(shù)據(jù)和DQS

DQS信號(hào)相當(dāng)于數(shù)據(jù)信號(hào)的參考時(shí)鐘，它在走線(xiàn)時(shí)需要保持和CLK信號(hào)保持等長(zhǎng)。DQS在DDR2以下為單端信號(hào)，DDR2可作為差分信號(hào)，也可做單端，做單端時(shí)需要將DQS-接地，而DDR3為差分信號(hào)，需要走線(xiàn)100ohm差分線(xiàn)。由于內(nèi)部有ODT，所以DQS不需要終端并聯(lián)100ohm電阻。每8bit數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)應(yīng)一組DQS信號(hào)。

DQS信號(hào)在走線(xiàn)時(shí)需要與同組的DQS信號(hào)保持等長(zhǎng)，控制單端50ohm的阻抗。在寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí),DQ和DQS的中間對(duì)齊，在讀數(shù)據(jù)時(shí)，DQ和DQS的邊沿對(duì)齊。DQ信號(hào)多為一驅(qū)一，并且DDR2和DDR3有內(nèi)部的ODT匹配，所以一般在進(jìn)行串聯(lián)匹配就可以了。

4. 地址和控制

地址和控制信號(hào)速度沒(méi)有DQ的速度快，以時(shí)鐘的上升沿為依據(jù)采樣，所以需要與時(shí)鐘走線(xiàn)保持等長(zhǎng)。但如果使用多片DDR時(shí)，地址和控制信號(hào)為一驅(qū)多的關(guān)系，需要注意匹配方式是否適合。

5. PCB布局注意事項(xiàng)

PCB布局時(shí)，需要把DDR顆粒盡量靠近DDR控制器放置。每個(gè)電源管腳需要放置一個(gè)濾波電容，整個(gè)電源上需要有10uF以上大電容放在電源入口的位置上。電源最好使用獨(dú)立的層鋪到管腳上去。串聯(lián)匹配的電阻最好放在源端，如果是雙向信號(hào)，那么要統(tǒng)一放在同一端。如果是一驅(qū)多的DDR匹配結(jié)構(gòu)，VTT上拉電阻需要放在最遠(yuǎn)端，注意芯片的排布需要平衡。下圖是幾種DDR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先，一驅(qū)二的情況下分為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，菊花鏈和Fly-by結(jié)構(gòu)，F(xiàn)ly-by是一種STUB很小的菊花鏈結(jié)構(gòu)。DDR2和DDR3走菊花鏈結(jié)構(gòu)都是比較適合的。走樹(shù)狀結(jié)構(gòu)可以把兩片芯片貼在PCB的正反兩面，對(duì)貼減小分叉的長(zhǎng)度。一驅(qū)多的DDR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要仔細(xì)進(jìn)行仿真。

6. PCB布線(xiàn)注意事項(xiàng)

PCB布線(xiàn)時(shí)，單端走線(xiàn)走50ohm，差分走線(xiàn)走100ohm阻抗。

注意控制差分線(xiàn)等長(zhǎng)±10mil以?xún)?nèi)，同組走線(xiàn)根據(jù)速度的要求也有不同，一般為±50mil。

控制和地址線(xiàn)及DQS線(xiàn)和時(shí)鐘等長(zhǎng)，DQ數(shù)據(jù)線(xiàn)和同組的DQS線(xiàn)等長(zhǎng)。

注意時(shí)鐘及DQS和其他的信號(hào)要分開(kāi)3W以上距離。

組間信號(hào)也要拉開(kāi)至少3W寬的距離。

同一組信號(hào)最好在同一層布線(xiàn)。

盡量減少過(guò)孔的數(shù)目。

7. EMI問(wèn)題

DDR由于其速度快，訪(fǎng)問(wèn)頻繁，所以在許多設(shè)計(jì)中需要考慮其對(duì)外的干擾性，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意一下幾點(diǎn)。

原理有性能指標(biāo)要求的，易受干擾的電路模塊和信號(hào)，如模擬信號(hào)，射頻信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)等，防止DDR對(duì)其干擾，影響指標(biāo)。

DDR的電源和不要與其他易受干擾的電源模塊使用同一電源，如必須使用同一電源，要注意使用電感、磁珠或電容進(jìn)行濾波隔離處理。

在時(shí)鐘及DQS信號(hào)線(xiàn)上，預(yù)留一些可以增加的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容的位置，在EMI超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在信號(hào)完整性允許的范圍內(nèi)增大串聯(lián)電阻或?qū)Φ仉娙荩蛊湫盘?hào)上升延變緩，減少對(duì)外的輻射。

進(jìn)行屏蔽處理，使用金屬外殼的屏蔽結(jié)構(gòu)，屏蔽對(duì)外輻射。

注意保持地的完整性。

8. 測(cè)試方法

注意示波器的探頭和示波器本身的帶寬能夠滿(mǎn)足測(cè)試要求。

測(cè)試點(diǎn)的選擇要注意選到盡量靠近信號(hào)的接受端。

由于DDR信令比較復(fù)雜，因此為了能快速測(cè)試、調(diào)試和解決信號(hào)上的問(wèn)題，我們希望能簡(jiǎn)單地分離讀/寫(xiě)比特。此時(shí)，最常用的是通過(guò)眼圖分析來(lái)幫助檢查DDR信號(hào)是否滿(mǎn)足電壓、定時(shí)和抖動(dòng)方面的要求。

觸發(fā)模式的設(shè)置有幾種，首先可以利用前導(dǎo)寬度觸發(fā)器分離讀/寫(xiě)信號(hào)。根據(jù)JEDEC規(guī)范，讀前導(dǎo)的寬度為0.9到1.1個(gè)時(shí)鐘周期，而寫(xiě)前導(dǎo)的寬度規(guī)定為大于0.35個(gè)時(shí)鐘周期，沒(méi)有上限。第二種觸發(fā)方式是利用更大的信號(hào)幅度觸發(fā)方法分離讀/寫(xiě)信號(hào)。通常，讀/寫(xiě)信號(hào)的信號(hào)幅度是不同的，因此我們可以通過(guò)在更大的信號(hào)幅度上觸發(fā)示波器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者的分離。

測(cè)試中要注意信號(hào)的幅度，時(shí)鐘的頻率，差分時(shí)鐘的交叉點(diǎn)，上升沿是否單調(diào)，過(guò)沖等。

時(shí)序中最重要，最需要注意的就是建立時(shí)間和保持時(shí)間。