信號(hào)完整性測(cè)試 如何才能測(cè)試到芯片的的最終端

項(xiàng)目背景:項(xiàng)目為一個(gè)云端運(yùn)算的產(chǎn)品，所有的高速和低速信號(hào)都要進(jìn)行信號(hào)完整性測(cè)試，其中包括高速串行信號(hào)PCI-Express Gen1( 簡(jiǎn)稱PCIe Gen1)。PCIe Gen1信號(hào)分為CEM和base兩種情況，CEM的測(cè)試可以使用 PCI-sig協(xié)會(huì)的fixture直接進(jìn)行測(cè)試；base的測(cè)試直接使用探頭探測(cè)最終端的測(cè)試點(diǎn)，這樣就會(huì)帶來一個(gè)問題，如何才能測(cè)試到芯片的的最終端？因?yàn)?，信?hào)的互連通道不僅僅包含了PCB走線，還包含了芯片內(nèi)部的布線，一般我們認(rèn)為測(cè)量到芯片內(nèi)部的Die才算最終端。

該項(xiàng)目的PCIE 1.0是屬于PCIe base的，互連CPU與以太網(wǎng)PHY，如下圖1所示：

圖1 原理框圖

所以測(cè)試的時(shí)候，需要將probe探測(cè)到最終端，但是對(duì)于目前示波器測(cè)試而言，都只能測(cè)試到芯片的引腳上，沒有辦法探測(cè)到最終端的Die上。

測(cè)試設(shè)備：示波器（16GHz），測(cè)試探頭（16GHz），萬用表，烙鐵，校準(zhǔn)板，網(wǎng)絡(luò)分析儀（帶TDR選件）

分析軟件：Intel Sigtest

問題描述以及分析：在測(cè)試接收端（RX）的信號(hào)時(shí)，以太網(wǎng)PHY發(fā)送信號(hào)，測(cè)試點(diǎn)選在CPU BGA下方的過孔上，信號(hào)沒有任何問題，眼圖和jitter都能滿足PCI-sig協(xié)會(huì)規(guī)范。測(cè)試發(fā)送端（TX）時(shí)，CPU發(fā)送信號(hào)，以太網(wǎng)PHY是接收端，由于PHY芯片封裝是QFP的，所以探頭點(diǎn)在引腳上。得到測(cè)試波形后，在分析軟件中分析波形，能通過眼圖模板測(cè)試規(guī)范，但是發(fā)現(xiàn)jitter過不了規(guī)范，重復(fù)幾次測(cè)試都是如此。再校準(zhǔn)示波器和測(cè)試探頭再測(cè)試，依然如此。每次得到的結(jié)果如下圖3所示：

圖3 眼圖和jitter測(cè)試

結(jié)果顯示fail，而且是jitter fail。 jitter的問題一般都是比較麻煩的。從眼圖上看，眼圖的軌跡很稀松，也不是很光滑。

將示波器的原始波形展開放大觀察，發(fā)現(xiàn)信號(hào)在上升和下降沿上出現(xiàn)了非單調(diào)的現(xiàn)象，對(duì)比眼圖，正好能對(duì)應(yīng)上眼圖的交叉點(diǎn)處，如下圖4所示。

圖4 測(cè)試波形圖

一般非單調(diào)是因?yàn)樽杩共贿B續(xù)造成的。在PCB生產(chǎn)完成之后，我們對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行了阻抗的測(cè)試，對(duì)應(yīng)的阻抗如下圖5所示：

圖5 阻抗測(cè)試曲線

上圖所示，這是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的TDR軟件測(cè)試得到的結(jié)果，信號(hào)線的設(shè)計(jì)阻抗為85ohm，有上圖5紅色框曲線所示，測(cè)試阻抗都能滿足在85ohm +/-10以內(nèi)的設(shè)計(jì)要求，可以認(rèn)為其阻抗一致性比較好。不存在信號(hào)線阻抗突變的問題。如果阻抗沒有突變，一般在測(cè)試時(shí)出現(xiàn)這種非單調(diào)的情況，大多時(shí)候都是由于測(cè)試不在最終端所造成的（當(dāng)然，最終端的die達(dá)不到，那么至少要求stub最短）。

項(xiàng)目使用的以太網(wǎng) PHY封裝如下圖6所示：

圖6 芯片封裝

這種封裝，很多時(shí)候其芯片內(nèi)部走線比較長(zhǎng)，那么在測(cè)試的時(shí)候，其探測(cè)點(diǎn)在芯片的引腳上，那么內(nèi)部的走線就是一段stub，顯然，這一段stub很長(zhǎng)，由于stub的作用，很可能最終導(dǎo)致其測(cè)試時(shí)信號(hào)波形出現(xiàn)非單調(diào)。進(jìn)而影響眼圖、jitter等信號(hào)完整性的表現(xiàn)。

解決方案：分析了相關(guān)的原因后，懷疑就是在測(cè)試時(shí)芯片內(nèi)部的走線形成了stub，那么在測(cè)試把芯片去掉，在PCIE信號(hào)兩個(gè)引腳上分別焊接上50ohm的端接電阻，類似PCIE CEM的測(cè)試一樣，探頭連接在電阻端進(jìn)行測(cè)試，這樣就不會(huì)存在stub，如果信號(hào)波形是好的，都能滿足眼圖、jitter等性能指標(biāo)，那么懷疑是芯片內(nèi)部的走線引起的stub導(dǎo)致的反射，這就是成立的，這樣的情況可以認(rèn)為PCIe的互連通道的信號(hào)完整性能滿足產(chǎn)品和規(guī)范的要求。

芯片去掉之后，端接上電阻，得到眼圖和jitter分析結(jié)果如下圖7所示：

圖7 改變后測(cè)試眼圖和jitter

下圖8是端接后展開的波形，在上升和下降沿處都沒有觀察到非單調(diào)性。

圖8 改變后測(cè)試波形圖

綜上所述，此處PCIe Gen1測(cè)試信號(hào)完整性fail的問題是由于測(cè)試點(diǎn)不在最終端測(cè)試所造成的結(jié)果，可以推斷此PCIe互連通道的信號(hào)完整性沒有問題。

如果其它的測(cè)試遇到這樣的情況也是一樣，特別是一些項(xiàng)目的芯片很大，像FPGA那樣的，如果需要測(cè)試的信號(hào)線其能探測(cè)的測(cè)試點(diǎn)離最終端（Die）比較遠(yuǎn)，在測(cè)試的時(shí)候又出現(xiàn)了問題，這個(gè)時(shí)候就需要考慮是否是由于測(cè)試點(diǎn)不在最終端（或最靠近最終端）造成的。

審核編輯：郭婷