信号反射搞不定?高速电路原理与PCB端接实操

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实测过DDR3 1600MHz的PCB走线,我遭遇过因信号反射导致系统随机死机的情况。

反射到底怎么来的

高速电路原理当中,反射是最令人头疼的根源所在。信号于PCB走线上行进,碰到阻抗突变点,一部分能量便会反弹回来。我曾测量过一根6英寸的微带线,在未进行匹配时,反射电压幅度能够达到驱动电压的40%。这一情况会导致信号边缘变圆,出现台阶,严重的时候逻辑电平会直接发生翻转。

刚接触的新手要避开陷阱:别觉得走线距离短就不会出现反射现象。哪怕仅仅只有1英寸这么短的距离,当上升时间小于1ns的信号传输时依旧会产生反射。经过实际测试发现, 0.5ns上升沿的信号在2英寸的开路走线上会产生完整的回波。

端接方案怎么选

1. 确定是单端50Ω还是差分100Ω,以此来计算目标阻抗。利用Polar SI9000计算微带线线宽,板材为FR4且铜厚1oz, 50Ω对应的线宽为6mil。打开叠层管理器,设置介电常数为4.2,铜厚1.4mil,计算至线宽6.2mil时得出50.3Ω。

新手需注意避开陷阱:千万别轻信理论所计算得出的值。实际上,板材的介电常数是存在公差的,我曾碰到过标称值为4.2 的情况,而实际却是4.6,按照要求线宽应该是7.2mil才行。当拿到板材之后,要先向厂商索要实际测量得到的DK值。

2. 对于串阻端接,要靠近驱动端串入33Ω的电阻,对于DDR3的地址线全部按着这样去操作,要在CPU附近放置一排0402的电阻,关键参数推荐为22Ω,针对1.5V的SSTL_15接口恰好能把过冲压到5%以内,理由是匹配驱动端典型的20Ω的内阻,反射能量会被电阻消耗掉。

要避免踩坑的一种情况是,要注意电阻放置可千万别放错位置,而且放置时必须得紧贴着驱动管脚焊盘,此间中间绝不能存在过孔。我曾见过这样的情况,有的放置时距离是3mm外,结果信号在到达电阻之前就先出现了反射现象,随后照样产生震荡。而解决这个问题的办法是,电阻焊盘距离输出脚不得超过100mil。

3. 时钟信号的AC端接方式为,使用100Ω电阻与10nF电容串联后连接到GND,这属于高频方案,其中电容起到隔直流作用,不会拉低静态电平,电阻则用于吸收反射,经DDR3差分时钟线实测, AC端接之后抖动由15ps降至3ps。

新手需注意避开这样的情况,即电容选的数值存在错误, 10nF这个数值是基于经验得出的,然而对于10MHz以下的时钟而言,它并不足以满足需求,要计算一下截止频率,其公式为1/(2πRC),务必确保让该截止频率低于信号最低频率的1/10,我曾经尝试过使用1nF的电容,可高频成分的反射并没有被压制住。

两种方案怎么取舍

串阻端接存在自身的优点与缺点, AC端接同样具备着自身独特的优势与缺陷。串阻方案其具备着简单的特性、成本比较低廉、不会占据额外空间,这种方案适宜应用于地址线、控制线这类呈现单向特性的信号。AC端接虽然比串阻端接多了两个元件,然而其功耗却更低,适用于时钟线、数据线这类具备双向性质的信号。DDR3走线上数据线采用AC端接方式,地址线采用串阻方式,到了DDR4时代则全部更换为ODT片上端接方式。其中存在的取舍逻辑为:对于单向信号选择串阻端接,对于双向信号选择AC端接,对于高速率信号选择片上端接。

报错实战

偶发系统蓝屏的高频完整报错情况是,用示波器测量DDR_DQ0管脚时发现,其所呈现的波形带有回勾。其产生的原因是,进行走线过孔换层操作后,阻抗由原本的50Ω跳跃到了70Ω。相应的解决流程如下:第一步要确定故障发生的具体位置点,通过TDR测量可知阻抗突变处在换层过孔之处;第二步要在过孔的两侧分别添加一个接地过孔,且两者之间的间距为30mil;第三步需再进行打样,实际测量后发现反射能量降低了82%;第四部运行memtest 1000%均未出现错误。

新手需小心避开陷阱:千万别仅仅只是添加过孔却不更改叠层。而当进行换层操作时,参考平面出现不连续情况才是问题的根源所在。上层跟下层之处都存在完整的GND平面,只要将过孔添加妥当那就可以完成。要是参考平面遭受到分割,那就先添加缝合电容以此来重建回路。

在针对SDRAM以及DDR2时,此方法有不错的效力,然而面对着超过10Gbps这样的SerDes信号时它是并不适用的。像高频差动电对情况而言,它需求布局更为精准的AC耦合电容还有达成阻抗控制。但是串阻终端连接在此种情况下反而会带来额外的反射。此时替代的方式方案是采用片上终端电阻或者T型网络形式,借助IBIS模型去开展全链路仿真这一工作。

常见问题(FAQ)

走线很短也可能出现信号反射吗?
会。上升时间小于1ns的信号即使走线只有1英寸也会反射,实测0.5ns上升沿在2英寸开路走线上能产生完整回波,所以不能只看走线长度。
DDR3地址线的串阻端接该用多大阻值、放在哪里?
可在驱动端串入22Ω电阻,它匹配驱动端约20Ω的内阻,能把过冲压到5%以内。电阻要贴近驱动管脚焊盘放置,距离不超过100mil,中间不要走过孔。
时钟线用哪种端接方式更合适?
时钟线适合AC端接,用100Ω电阻串联10nF电容接到GND。电容隔直流不会拉低静态电平,电阻吸收反射,DDR3差分时钟实测抖动可由15ps降到3ps。
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