基于DDR2和DDR3的PCB信號(hào)完整性設(shè)計(jì)和注意事項(xiàng)解析

摘要

本文章主要涉及到對DDR2和DDR3在設(shè)計(jì)印制線路板（PCB）時(shí)，考慮信號(hào)完整性和電源完整性的設(shè)計(jì)事項(xiàng)，這些是具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性的。文章重點(diǎn)是討論在盡可能少的PCB層數(shù)，特別是4層板的情況下的相關(guān)技術(shù)，其中一些設(shè)計(jì)方法在以前已經(jīng)成熟的使用過。

1. 介紹

目前，比較普遍使用中的DDR2的速度已經(jīng)高達(dá)800 Mbps，甚至更高的速度，如1066 Mbps，而DDR3的速度已經(jīng)高達(dá)1600 Mbps。對于如此高的速度，從PCB的設(shè)計(jì)角度來講，要做到嚴(yán)格的時(shí)序匹配，以滿足波形的完整性，這里有很多的因素需要考慮，所有的這些因素都是會(huì)互相影響的，但是，它們之間還是存在一些個(gè)性的，它們可以被分類為PCB疊層、阻抗、互聯(lián)拓?fù)?、時(shí)延匹配、串?dāng)_、電源完整性和時(shí)序，目前，有很多EDA工具可以對它們進(jìn)行很好的計(jì)算和仿真，其中Cadence ALLEGRO SI-230 和Ansoft’s HFSS使用的比較多。

表1： DDR2和DDR3要求比較

表1顯示了DDR2和DDR3所具有的共有技術(shù)要求和專有的技術(shù)要求。

2. PCB的疊層（stackup）和阻抗

對于一塊受PCB層數(shù)約束的基板（如4層板）來說，其所有的信號(hào)線只能走在TOP和BOTTOM層，中間的兩層，其中一層為GND平面層，而另一層為 VDD 平面層，Vtt和Vref在VDD平面層布線。而當(dāng)使用6層來走線時(shí)，設(shè)計(jì)一種專用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得更加容易，同時(shí)由于Power層和GND層的間距變小了，從而提高了PI。

互聯(lián)通道的另一參數(shù)阻抗，在DDR2的設(shè)計(jì)時(shí)必須是恒定連續(xù)的，單端走線的阻抗匹配電阻50 Ohms必須被用到所有的單端信號(hào)上，且做到阻抗匹配，而對于差分信號(hào)，100 Ohms的終端阻抗匹配電阻必須被用到所有的差分信號(hào)終端，比如CLOCK和DQS信號(hào)。另外，所有的匹配電阻必須上拉到VTT，且保持50 Ohms，ODT的設(shè)置也必須保持在50 Ohms。

在 DDR3的設(shè)計(jì)時(shí)，單端信號(hào)的終端匹配電阻在40和60 Ohms之間可選擇的被設(shè)計(jì)到ADDR/CMD/CNTRL信號(hào)線上，這已經(jīng)被證明有很多的優(yōu)點(diǎn)。而且，上拉到VTT的終端匹配電阻根據(jù)SI仿真的結(jié)果的走線阻抗，電阻值可能需要做出不同的選擇，通常其電阻值在30-70 Ohms之間。而差分信號(hào)的阻抗匹配電阻始終在100 Ohms。

3. 互聯(lián)通路拓?fù)?/p>

對于DDR2和DDR3，其中信號(hào)DQ、DM和DQS都是點(diǎn)對點(diǎn)的互聯(lián)方式，所以不需要任何的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然而列外的是，在multi-rank DIMMs（Dual In Line Memory Modules）的設(shè)計(jì)中并不是這樣的。在點(diǎn)對點(diǎn)的方式時(shí)，可以很容易的通過ODT的阻抗設(shè)置來做到阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)其波形完整性。而對于 ADDR/CMD/CNTRL和一些時(shí)鐘信號(hào)，它們都是需要多點(diǎn)互聯(lián)的，所以需要選擇一個(gè)合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2列出了一些相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中Fly- By拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種特殊的菊花鏈，它不需要很長的連線，甚至有時(shí)不需要短線（Stub）。

對于DDR3，這些所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是適用的，然而前提條件是走線要盡可能的短。Fly-By拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在處理噪聲方面，具有很好的波形完整性，然而在一個(gè)4 層板上很難實(shí)現(xiàn)，需要6層板以上，而菊花鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)在一個(gè)4層板上是容易實(shí)現(xiàn)的。另外，樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求AB的長度和AC的長度非常接近（如圖2）?？紤]到波形的完整性，以及盡可能的提高分支的走線長度，同事又要滿足板層的約束要求，在基于4層板的DDR3設(shè)計(jì)中，最合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是帶有最少短線（Stub）的菊花鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。

對于DDR2-800，這所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都適用，只是有少許的差別。然而，菊花鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)被證明在SI方面是具有優(yōu)勢的。

對于超過兩片的SDRAM，通常，是根據(jù)器件的擺放方式不同而選擇相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3顯示了不同擺放方式而特殊設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，只有A和 D是最適合4層板的PCB設(shè)計(jì)。然而，對于DDR2-800，所列的這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能滿足其波形的完整性，而在DDR3的設(shè)計(jì)中，特別是在1600 Mbps時(shí)，則只有D是滿足設(shè)計(jì)的。