DDR測(cè)試系列之三—— 某SDRAM時(shí)鐘分析案例

前個(gè)周末接到了一個(gè)朋友的電話，詢問(wèn)我如果內(nèi)存有問(wèn)題，需要測(cè)試哪些項(xiàng)目？對(duì)于這個(gè)很常見的問(wèn)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(guò)一會(huì)，我那朋友又打過(guò)來(lái)，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(wèn)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(wú)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(wèn)題原因并解決問(wèn)題了。

從無(wú)源探頭的原理來(lái)看，如圖1所示為常見的無(wú)源探頭的簡(jiǎn)化電路圖，通常示波器標(biāo)配的無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)從示波器僅有的200MHz帶寬來(lái)看，是根本無(wú)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(guò)沖高達(dá)7.8V，電路板不能正常工作；而后者過(guò)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(lái)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(wèn)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(guò)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(lái)的時(shí)鐘剛出來(lái)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(wú)過(guò)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(guò)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(wú)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。