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針對(duì)DDR2和DDR3的PCB信號(hào)完整性設(shè)計(jì)介紹

h1654155971.8456 ? 來(lái)源:EDA365 ? 作者:EDA365 ? 2021-03-25 14:26 ? 次閱讀

本文章主要涉及到對(duì)DDR2和DDR3在PCB設(shè)計(jì)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(guò)。

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(duì)于如此高的速度,從PCB的設(shè)計(jì)角度來(lái)幫大家分析,要做到嚴(yán)格的時(shí)序匹配,以滿足信號(hào)的完整性,這里有很多的因素需要考慮,所有的這些因素都有可能相互影響。

它們可以被分類(lèi)為PCB疊層、阻抗、互聯(lián)拓?fù)洹r(shí)延匹配、串?dāng)_、信號(hào)及電源完整性和時(shí)序,目前,有很多EDA工具可以對(duì)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。

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2

PCB的疊層(stackup)和阻抗

對(duì)于一塊受PCB層數(shù)約束的基板(如4層板)來(lái)說(shuō),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(lái)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,從而提高了電源完整性。

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(duì)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。

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3

互聯(lián)拓?fù)?/p>

對(duì)于DDR2和DDR3,其中信號(hào)DQ、DM和DQS都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的互聯(lián)方式,所以不需要任何的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),然而例外的是,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(duì)點(diǎn)的方式時(shí),可以很容易的通過(guò)ODT的阻抗設(shè)置來(lái)做到阻抗匹配,從而實(shí)現(xiàn)其波形完整性。而對(duì)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(zhǎng)的連線,甚至有時(shí)不需要短線(Stub)。

對(duì)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(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求AB的長(zhǎng)度和AC的長(zhǎng)度非常接近(如圖2)。

考慮到波形的完整性,以及盡可能的提高分支的走線長(zhǎng)度,同時(shí)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)。

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對(duì)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,也是知道的,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(shì)的。

對(duì)于超過(guò)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(duì)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。

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4

時(shí)延匹配

在做到時(shí)延的匹配時(shí),往往會(huì)在布線時(shí)采用trombone方式走線,另外,在布線時(shí)難免會(huì)有切換板層的時(shí)候,此時(shí)就會(huì)添加一些過(guò)孔。不幸的是,但所有這些彎曲的走線和帶過(guò)孔的走線,將它們拉直變?yōu)榈乳L(zhǎng)度理想走線時(shí),此時(shí)它們的時(shí)延是不等的,如圖4所示。

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顯然,上面講到的trombone方式在時(shí)延方面同直走線的不對(duì)等是很好理解的,而帶過(guò)孔的走線就更加明顯了。在中心線長(zhǎng)度對(duì)等的情況下,trombone 走線的時(shí)延比直走線的實(shí)際延時(shí)是要來(lái)的小的,而對(duì)于帶有過(guò)孔的走線,時(shí)延是要來(lái)的大的。這種時(shí)延的產(chǎn)生,這里有兩種方法去解決它。

一種方法是,只需要在 EDA工具里進(jìn)行精確的時(shí)延匹配計(jì)算,然后控制走線的長(zhǎng)度就可以了。而另一種方法是在可接受的范圍內(nèi),減少不匹配度。

對(duì)于trombone線,時(shí)延的不對(duì)等可以通過(guò)增大L3的長(zhǎng)度而降低,因?yàn)椴⑿芯€間會(huì)存在耦合,其詳細(xì)的結(jié)果,可以通過(guò)SigXP仿真清楚的看出,如圖 5,L3(圖中的S)長(zhǎng)度的不同,其結(jié)果會(huì)有不同的時(shí)延,盡可能的加長(zhǎng)S的長(zhǎng)度,則可以更好的降低時(shí)延的不對(duì)等。對(duì)于微帶線來(lái)說(shuō),L3大于7倍的走線到地的距離是必須的。

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trombone線的時(shí)延是受到其并行走線之間的耦合而影響,一種在不需要提高其間距的情況下,并且能降低耦合的程度的方法是采用saw tooth線。顯然,saw tooth線比trombone線具有更好的效果。

但是,依來(lái)看它需要更多的空間。由于各種可能造成時(shí)延不同的原因,所以,在實(shí)際的設(shè)計(jì)時(shí),要借助于CAD工具進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算,從而控制走線的時(shí)延匹配。

考慮到在圖2中6層板上的過(guò)孔的因素,當(dāng)一個(gè)地過(guò)孔靠近信號(hào)過(guò)孔放置時(shí),則在時(shí)延方面的影響是必須要考慮的。

先舉個(gè)例子,在TOP層的微帶線長(zhǎng)度是 150 mils,BOTTOM層的微帶線也是150 mils,線寬都為4 mils,且過(guò)孔的參數(shù)為:barrel diameter=”8mils”,pad diameter=”18mils”,anti-pad diameter=”26mils”。

這里有三種方案進(jìn)行對(duì)比考慮:

一種是,通過(guò)過(guò)孔互聯(lián)的這個(gè)過(guò)孔附近沒(méi)有任何地過(guò)孔,那么,其返回路徑只能通過(guò)離此過(guò)孔250 mils的PCB邊緣來(lái)提供;

第二種是,一根長(zhǎng)達(dá)362 mils的微帶線;

第三種是,在一個(gè)信號(hào)線的四周有四個(gè)地過(guò)孔環(huán)繞著。圖6顯示了帶有60 Ohm的常規(guī)線的S-Parameters,從圖中可以看出,帶有四個(gè)地過(guò)孔環(huán)繞的信號(hào)過(guò)孔的S-Parameters就像一根連續(xù)的微帶線,從而提高了 S21特性。

由此可知,在信號(hào)過(guò)孔附近缺少返回路徑的情況下,則此信號(hào)過(guò)孔會(huì)大大增高其阻抗。當(dāng)今的高速系統(tǒng)里,在時(shí)延方面顯得尤為重要。

現(xiàn)做一個(gè)測(cè)試電路,類(lèi)似于圖5,驅(qū)動(dòng)源是一個(gè)線性的60 Ohms阻抗輸出的梯形信號(hào),信號(hào)的上升沿和下降沿均為100 ps,幅值為1V。此信號(hào)源按照?qǐng)D6的三種方式,且其端接一60 Ohms的負(fù)載,其激勵(lì)為一800 MHz的周期信號(hào)。

在0.5V這一點(diǎn),我們觀察從信號(hào)源到接收端之間的時(shí)間延遲,顯示出來(lái)它們之間的時(shí)延差異。其結(jié)果如圖7所示,在圖中只顯示了信號(hào)的上升沿,從這圖中可以很明顯的看出,帶有四個(gè)地過(guò)孔環(huán)繞的過(guò)孔時(shí)延同直線相比只有3 ps,而在沒(méi)有地過(guò)孔環(huán)繞的情況下,其時(shí)延是8 ps。

由此可知,在信號(hào)過(guò)孔的周?chē)黾拥剡^(guò)孔的密度是有幫助的。然而,在4層板的PCB里,這個(gè)就顯得不是完全的可行性,由于其信號(hào)線是靠近電源平面的,這就使得信號(hào)的返回路徑是由它們之間的耦合程度來(lái)決定的。

所以,在4層的PCB設(shè)計(jì)時(shí),為符合電源完整性(power integrity)要求,對(duì)其耦合程度的控制是相當(dāng)重要的。

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對(duì)于DDR2和DDR3,時(shí)鐘信號(hào)是以差分的形式傳輸?shù)?,而在DDR2里,DQS信號(hào)是以單端或差分方式通訊取決于其工作的速率,當(dāng)以高度速率工作時(shí)則采用差分的方式。顯然,在同樣的長(zhǎng)度下,差分線的切換時(shí)延是小于單端線的。

根據(jù)時(shí)序仿真的結(jié)果,時(shí)鐘信號(hào)和DQS也許需要比相應(yīng)的ADDR/CMD /CNTRL和DATA線長(zhǎng)一點(diǎn)。

另外,必須確保時(shí)鐘線和DQS布在其相關(guān)的ADDR/CMD/CNTRL和DQ線的當(dāng)中。由于DQ和DM在很高的速度下傳輸,所以,需要在每一個(gè)字節(jié)里,它們要有嚴(yán)格的長(zhǎng)度匹配,而且不能有過(guò)孔。

差分信號(hào)對(duì)阻抗不連續(xù)的敏感度比較低,所以換層走線是沒(méi)多大問(wèn)題的,在布線時(shí)優(yōu)先考慮布時(shí)鐘線和DQS。

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5

串?dāng)_

在設(shè)計(jì)微帶線時(shí),串?dāng)_是產(chǎn)生時(shí)延的一個(gè)相當(dāng)重要的因素。通常,可以通過(guò)加大并行微帶線之間的間距來(lái)降低串?dāng)_的相互影響,然而,在合理利用走線空間上這是一個(gè)很大的弊端,所以,應(yīng)該控制在一個(gè)合理的范圍里面。典型的一個(gè)規(guī)則是,并行走線的間距大于走線到地平面的距離的兩倍。

另外,地過(guò)孔也起到一個(gè)相當(dāng)重要的作用,圖8顯示了有地過(guò)孔和沒(méi)地過(guò)孔的耦合程度,在有多個(gè)地過(guò)孔的情況下,其耦合程度降低了7 dB??紤]到互聯(lián)通路的成本預(yù)算,對(duì)于兩邊進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆抡媸潜仨毜?,?dāng)在所有的網(wǎng)線上加一個(gè)周期性的激勵(lì),將會(huì)由串?dāng)_產(chǎn)生的信號(hào)抖動(dòng),通過(guò)仿真,可以在時(shí)域觀察信號(hào)的抖動(dòng),從而通過(guò)合理的設(shè)計(jì),綜合考慮空間和信號(hào)完整性,選擇最優(yōu)的走線間距。

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6

信號(hào)及電源完整性

這里的電源完整性指的是在最大的信號(hào)切換情況下,其電源的容差性。當(dāng)未符合此容差要求時(shí),將會(huì)導(dǎo)致很多的問(wèn)題,比如加大時(shí)鐘抖動(dòng)、數(shù)據(jù)抖動(dòng)和串?dāng)_。

這里,可以很好的理解與去偶相關(guān)的理論,現(xiàn)在從”目標(biāo)阻抗”的公式定義開(kāi)始討論。

Ztarget=Voltage tolerance/Transient Current (1)

在這里,關(guān)鍵是要去理解在最差的切換情況下瞬間電流(Transient Current)的影響,另一個(gè)重要因素是切換的頻率。在所有的頻率范圍里,去耦網(wǎng)絡(luò)必須確保它的阻抗等于或小于目標(biāo)阻抗(Ztarget)。

在一塊 PCB上,由電源和地層所構(gòu)成的電容,以及所有的去耦電容,必須能夠確保在100KHz左右到100-200MH左右之間的去耦作用。頻率在 100KHz以下,在電壓調(diào)節(jié)模塊里的大電容可以很好的進(jìn)行去耦。而頻率在200MHz以上的,則應(yīng)該由片上電容或?qū)S玫姆庋b好的電容進(jìn)行去耦。

實(shí)際的電源完整性是相當(dāng)復(fù)雜的,其中要考慮到IC的封裝、仿真信號(hào)的切換頻率和PCB耗電網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于PCB設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),目標(biāo)阻抗的去耦設(shè)計(jì)是相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單的,也是比較實(shí)際的解決方案。

在 DDR的設(shè)計(jì)上有三類(lèi)電源,它們是VDD、VTT和Vref。VDD的容差要求是5%,而其瞬間電流從Idd2到Idd7大小不同,詳細(xì)在JEDEC里有敘述。通過(guò)電源層的平面電容和專用的一定數(shù)量的去耦電容,可以做到電源完整性,其中去耦電容從10nF到10uF大小不同,共有10個(gè)左右。另外,表貼電容最合適,它具有更小的焊接阻抗。

Vref要求更加嚴(yán)格的容差性,但是它承載著比較小的電流。顯然,它只需要很窄的走線,且通過(guò)一兩個(gè)去耦電容就可以達(dá)到目標(biāo)阻抗的要求。由于Vref相當(dāng)重要,所以去耦電容的擺放盡量靠近器件的管腳。

然而,對(duì)VTT的布線是具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性,因?yàn)樗恢灰袊?yán)格的容差性,而且還有很大的瞬間電流,不過(guò)此電流的大小可以很容易的就計(jì)算出來(lái)。最終,可以通過(guò)增加去耦電容來(lái)實(shí)現(xiàn)它的目標(biāo)阻抗匹配。

在4層板的PCB里,層之間的間距比較大,從而失去其電源層間的電容優(yōu)勢(shì),所以,去耦電容的數(shù)量將大大增加,尤其是小于10 nF的高頻電容。詳細(xì)的計(jì)算和仿真可以通過(guò)EDA工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。

7

時(shí)序

對(duì)于時(shí)序的計(jì)算和分析在一些相關(guān)文獻(xiàn)里有詳細(xì)的介紹,下面列出需要設(shè)置和分析的8個(gè)方面:

1)寫(xiě)建立分析:DQ vs. DQS

2)寫(xiě)保持分析:DQ vs. DQS

3)讀建立分析:DQ vs. DQS

4)讀保持分析:DQ vs. DQS

5)寫(xiě)建立分析:DQS vs. CLK

6)寫(xiě)保持分析:DQS vs. CLK

7)寫(xiě)建立分析:ADDR/CMD/CNTRL vs. CLK

8)寫(xiě)保持分析:ADDR/CMD/CNTRL vs. CLK

表2舉了一個(gè)針對(duì)寫(xiě)建立(Write Setup)分析的例子。表中的一些數(shù)據(jù)需要從控制器和存儲(chǔ)器廠家獲取,段”Interconnect”的數(shù)據(jù)是取之于SI仿真工具。

對(duì)于DDR2上面所有的8 項(xiàng)都是需要分析的,而對(duì)于DDR3,5項(xiàng)和6項(xiàng)不需要考慮。在PCB設(shè)計(jì)時(shí),長(zhǎng)度方面的容差必須要保證total margin是正的。

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8

PCB Layout

在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)時(shí),考慮到SI的要求,往往有很多的折中方案。通常,需要優(yōu)先考慮對(duì)于那些對(duì)信號(hào)的完整性要求比較高的。畫(huà)PCB時(shí),當(dāng)考慮以下的一些相關(guān)因素,那么對(duì)于設(shè)計(jì)PCB來(lái)說(shuō)可靠性就會(huì)更高。

1)首先,要在相關(guān)的EDA工具里設(shè)置好拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相關(guān)約束。

2)將BGA引腳突圍,將ADDR/CMD/CNTRL引腳布置在DQ/DQS/DM字節(jié)組的中間,由于所有這些分組操作,為了盡可能少的信號(hào)交叉,一些獨(dú)立的管腳也許會(huì)被交換到其它區(qū)域布線。

3)由串?dāng)_仿真的結(jié)果可知,盡量減少短線(stubs)長(zhǎng)度。通常,短線(stubs)是可以被削減的,但不是所有的管腳都做得到的。

在BGA焊盤(pán)和存儲(chǔ)器焊盤(pán)之間也許只需要兩段的走線就可以實(shí)現(xiàn)了,但是此走線必須要很細(xì),那么就提高了PCB的制作成本,而且,不是所有的走線都只需要兩段的,除非使用微小的過(guò)孔和盤(pán)中孔的技術(shù)。最終,考慮到信號(hào)完整性的容差和成本,可能選擇折中的方案。

4)將Vref的去耦電容靠近Vref管腳擺放;Vtt的去耦電容擺放在最遠(yuǎn)的一個(gè)SDRAM外端;VDD的去耦電容需要靠近器件擺放。小電容值的去耦電容需要更靠近器件擺放。

正確的去耦設(shè)計(jì)中,并不是所有的去耦電容都是靠近器件擺放的。所有的去耦電容的管腳都需要扇出后走線,這樣可以減少阻抗,通常,兩端段的扇出走線會(huì)垂直于電容布線。

5)當(dāng)切換平面層時(shí),盡量做到長(zhǎng)度匹配和加入一些地過(guò)孔,這些事先應(yīng)該在EDA工具里進(jìn)行很好的仿真。

通常,在時(shí)域分析來(lái)看,差分線的正負(fù)兩根線要做到延時(shí)匹配,保證其誤差在+/- 2ps,而其它的信號(hào)要做到+/- 10 ps。

9

DIMM

之前介紹的大部分規(guī)則都適合于在PCB上含有一個(gè)或更多的DIMM,唯一例外的是在DIMM里所要考慮到去耦因素同在DIMM組里有所區(qū)別。

在DIMM組里,對(duì)于ADDR/CMD/CNTRL所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里,帶有少的短線菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是適用的。

10

案例

上面所介紹的相關(guān)規(guī)則,在DDR2 PCB、DDR3 PCB和DDR3-DIMM PCB里,都已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用。

在下面的案例中,我們采用MOSAID公司的控制器,它提供了對(duì)DDR2和DDR3的操作功能。在SI仿真方面,采用了 IBIS模型,其存儲(chǔ)器的模型來(lái)自MICRON Technolgy,Inc。

對(duì)于DDR3 SDRAM的模型提供1333 Mbps的速率。在這里,數(shù)據(jù)是操作是在1600 Mbps下的。對(duì)于不帶緩存(unbuffered DIMM(MT_DDR3_0542cc)EBD模型是來(lái)自Micron Technology,下面所有的波形都是采用通常的測(cè)試方法,且是在SDRAM die級(jí)進(jìn)行計(jì)算和仿真的。

圖2所示的6層板里,只在TOP和BOTTOM層進(jìn)行了布線,存儲(chǔ)器由兩片的SDRAM以菊花鏈的方式所構(gòu)成。而在DIMM的案例里,只有一個(gè)不帶緩存的DIMM被使用。圖9-11是對(duì)TOP/BOTTOM層布線的一個(gè)閃照?qǐng)D和信號(hào)完整性仿真圖。

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(左邊的是ADDRESS和CLOCK網(wǎng)絡(luò),右邊的是DATA和DQS網(wǎng)絡(luò),其時(shí)鐘頻率在800 MHz,數(shù)據(jù)通信率為1600Mbps)

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(左邊的是ADDRESS和CLOCK網(wǎng)絡(luò),右邊的是DATA和DQS網(wǎng)絡(luò),其時(shí)鐘頻率在400 MHz,數(shù)據(jù)通信率為800Mbps)

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(左邊的是ADDRESS和CLOCK網(wǎng)絡(luò),右邊的是DATA和DQS網(wǎng)絡(luò))

最好,圖12顯示了兩個(gè)經(jīng)過(guò)比較過(guò)的數(shù)據(jù)信號(hào)眼圖,一個(gè)是仿真的結(jié)果,而另一個(gè)是實(shí)際測(cè)量的。在上面的所有案例里,波形的完整性的完美程度都是令人興奮的。

11

結(jié)論

本文,針對(duì)DDR2/DDR3的設(shè)計(jì),SI和PI的各種相關(guān)因素都做了全面的介紹。

對(duì)于在4層板里設(shè)計(jì)800 Mbps的DDR2和DDR3是可行的,但是對(duì)于DDR3-1600 Mbps是具有很大的挑戰(zhàn)性。

原文標(biāo)題:實(shí)戰(zhàn)干貨:針對(duì)DDR2-800和DDR3的PCB信號(hào)完整性設(shè)計(jì)!

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