分析和調(diào)試DDR I、II 和 III時鐘抖動問題

作者：Min Jie Chong

安捷倫科技公司

存儲器解決方案/驗證產(chǎn)品經(jīng)理

概述

隨著 DDR（雙數(shù)據(jù)速率同步動態(tài)隨機存儲器）存儲器技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率迅速增長，互通性正成為工程師面臨的巨大挑戰(zhàn)。從根本上講，互通性首先是從物理層開始實施，而且其較重要的屬性之一是時鐘信號的抖動性能。DDR 接口上的時鐘從存儲控制器傳輸?shù)?DDR 芯片，它是 DDR 系統(tǒng)上所有其他信號（例如選通信號、數(shù)據(jù)信號、地址信號和命令信號）的參考。因此，擁有良好的時鐘抖動性能至關(guān)重要，因為時鐘上的抖動將轉(zhuǎn)移給其他信號。如果從一開始時鐘的抖動性能就很差，那么其他信號上的抖動問題也會非常明顯。

抖動如何影響 DDR 系統(tǒng)的性能？抖動可以影響決策制定，因為它會使邊沿的位置或信號的幅度發(fā)生移位，使其偏離理想位置。抖動越大，邊緣或幅度偏離其理想位置就越遠。在非理想位置上，DDR 系統(tǒng)可能采集到錯誤信息，從而極大地增加系統(tǒng)的比特誤碼率。較終，系統(tǒng)將無法正常工作。對于更快的 DDR 速度，其窗口有效時間會更短，使這一問題更加惡化，此時即使極小的抖動也會導(dǎo)致上述問題。

由于時鐘抖動對于互通性如此重要，因此 JEDEC（電子工程設(shè)計發(fā)展聯(lián)合協(xié)會）已規(guī)定了時鐘必須遵守的許多個抖動參數(shù)。其目的是確保抖動數(shù)量處于容限范圍以內(nèi)，這樣 DDR 系統(tǒng)通信就不會中斷。依照該技術(shù)指標(biāo)，工程師所面臨的挑戰(zhàn)不僅僅是確保時鐘處于抖動技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)，還要在時鐘不符合要求時進行調(diào)試和查找抖動源。本文將重點介紹一些在示波器中可用的工具和方法，它們可以幫助工程師快速執(zhí)行時鐘抖動分析以及調(diào)試抖動故障。這些工具和方法對DDR 1、2 和 3 都適用。

自動時鐘抖動測量

這一長串的抖動測試技術(shù)指標(biāo)使得對時鐘波形的測量和分析非常耗時。較重要的是，抖動分析有非常特殊的要求。DDR2 技術(shù)指標(biāo)――JESD79-2D 要求示波器能夠在 200 個時鐘周期內(nèi)分析多個周期間抖動測量。一些抖動測量是 tJIT(cc)、tERR(2per)、tERR(3per) 和 tJIT(duty) 等。雖然技術(shù)指標(biāo)中沒有提及，但是抖動測量應(yīng)該在大量的時鐘周期內(nèi)重復(fù)進行，通常為 5000 萬時鐘周期，以確保穩(wěn)定性。正是由于這些要求，您顯然會面臨非常繁重的任務(wù)。

幸運的是，有些示波器提供了 DDR 一致性測試軟件，這些軟件可以根據(jù) JEDEC 技術(shù)指標(biāo)自動進行時鐘測量和分析。您需要做的就是將時鐘信號輸入示波器，選擇時鐘抖動測試，然后執(zhí)行測試。軟件隨后將測量結(jié)果與 JEDEC 技術(shù)指標(biāo)進行比較，并報告每個測試成功或失敗的情況（如圖 1 所示）。此類自動測量的另一個優(yōu)勢是可以在一段較長的時間內(nèi)運行抖動測試，以便包含大量需要分析的時鐘周期。這些應(yīng)用免除了您手動進行測量的負擔(dān)，使您可以節(jié)省大量時間和精力。

圖 1：DDR2 應(yīng)用顯示了時鐘抖動測試的結(jié)果。紅色表示失敗的測試，黃色表示剛好成功的測試。因此，此時鐘未達到 JEDEC 抖動技術(shù)指標(biāo)，顯然需要進行修正。

使用抖動分離法調(diào)試時鐘抖動故障

現(xiàn)在，運行自動測量工具聽起來非常簡單，但是如果像圖 1 所示的情況那樣有時鐘抖動故障，情況又會如何呢？當(dāng)出現(xiàn)此類情況時，解決問題將會非常麻煩，因為抖動來源可能是多方面的。如果不能迅速縮小抖動來源的范圍,則可能意味著您必須花費好幾個月的時間來嘗試確定抖動源，這簡直就像大海撈針。

唯一的希望是示波器上有各種抖動調(diào)試方法。較重要的一個方法是將時鐘的總體抖動（TJ）分離成不同的抖動成分（如圖 2 所示）。這種方法非常重要，因為如果能夠知道時鐘上的抖動類型,就可以幫助您確定抖動源。另外，您還可以測量每個抖動類型的幅度，從而集中精力處理引起大部分抖動的抖動源。

有些類型的抖動可以從 TJ 中分離出來。時鐘上的隨機抖動（RJ）是由設(shè)計中的有源元器件的熱噪聲造成的，它是不確定的，而且抖動幅度是沒有邊界限制的。如果任其存在，將會給系統(tǒng)留下極大的問題隱患，系統(tǒng)需要在非常高的比特誤碼率條件下工作。要確定是哪一個元器件引起的故障，您可以使用示波器探頭測量元器件的輸出。然后，使用抖動分離法查看每個元器件所產(chǎn)生的 RJ 大小。在找到 RJ 輸出過大的元器件之后，您可以使用一個質(zhì)量良好的部件來替代它。當(dāng)然也有這樣的實例，質(zhì)量良好的部件本身生成的 RJ 就特別多。在這種情況下，您可能必須從其他廠商那里尋找一個質(zhì)量更好的元器件來改善 RJ 性能。

另一類抖動是占空比失真（DCD），這是確定性的抖動，并且有邊界限制。導(dǎo)致它的原因是差分輸出之間的電壓偏置或差分信號路徑之間的扭曲失配。電壓偏置是由信號路徑之間的阻抗失配和電壓電平的差異引起的。扭曲失配是因為一條信號路徑過長或者過短引起的，這會導(dǎo)致 DCD。您可以在存儲控制器和電路板設(shè)計版圖中解決這些問題。

周期抖動（PJ）是由與高速時鐘信號相耦合的周期信號源或重復(fù)信號源引起的。它也是確定性的，并且有邊界限制。導(dǎo)致 PJ 的來源可能是開關(guān)電源或振蕩器輸出。確定 PJ 源的方法將在下一節(jié)中討論。

將抖動分離成不同成分，可以幫助您縮小問題范圍。通過報告每類抖動的大小，可以幫助您劃分故障診斷的優(yōu)先級。

圖 2：TJ 被分離成不同的抖動成分，例如 RJ、PJ 和 DCD。知道抖動的類型和幅度可以幫助您縮小抖動源范圍，并幫助您劃分故障診斷的優(yōu)先級。

確定源周期抖動（PJ）

時間間隔誤差（TIE）測量法可以提供深入的 PJ 分析。該工具首先采集實際的時鐘，然后通過對實際時鐘取平均值來生成參考時鐘，接著使用參考時鐘周期減去時鐘波形的每個周期，生成隨時間變化的時鐘誤差趨勢圖（如圖 3a 所示）。該時鐘誤差趨勢包括實際時鐘的時域抖動信息。

在時域中分析誤差趨勢可能非常困難，因此可以對時鐘誤差趨勢進行快速傅立葉變換（FFT），以便在頻域中查看抖動。在圖 3a 中，可以觀察到頻譜上的尖峰信號，它表示與時鐘耦合的抖動的頻率。頻率尖峰信號越高，造成的抖動越大。您可以觀察到有 3 個突出的尖峰信號（在紅色圓圈中）。由于尖峰信號是窄帶的，所以它們是正弦信號，通常是振蕩器的輸出。如圖 3b 所示，使用示波器游標(biāo)，您可以得到尖峰信號的頻率分別為 12.5MHz、25MHz 和 50MHz。仔細檢查電路板設(shè)計之后，您會發(fā)現(xiàn)這些尖峰信號與在這 3 個頻率上工作的 3 個振蕩器有關(guān)。由于信號路徑之間沒有足夠的隔離，這些尖峰信號與時鐘相耦合。要解決這個問題，您需要加強信號之間的隔離。

在抖動頻譜的下端，抖動集中在一起，您很難觀察或分析突出的尖峰信號（在圖 3a 中的藍色圓圈中）。這可能是由非正弦信號、隨機信號或低頻信號（例如開關(guān)電源或低頻信號通信）引起的。有時由于某些示波器的通道存儲器深度有限，無法捕獲一個周期的低頻抖動，所以低頻抖動只是間歇性地出現(xiàn)。克服這個問題的一個方法是使用時域中的時鐘誤差趨勢的平均值。這種方法與低通濾波器基本相同。通過均衡誤差趨勢的高頻分量，只留下低頻圖�，F(xiàn)在，您可以輕松地繪制低頻抖動圖。使用游標(biāo)，您能夠確定抖動的頻率。圖 3c 中顯示的頻率大約是 180kHz。這就能夠確定工作頻率為 180kHz 的開關(guān)電源的抖動被耦合到了時鐘信號中。此時，您還是要加強隔離以降低信號耦合。

通過進行時間間隔誤差測量，您可以從周期波形中快速確定抖動源，并將問題反饋給設(shè)計工程師。

圖 3a：直方圖中顯示了時間間隔誤差（TIE），時域中為時鐘誤差趨勢，頻域中為抖動頻率。

圖 3b：使用游標(biāo)可以測量頻域上的尖峰信號。它們分別是 12.5MHz、25MHz和 50MHz。這些抖動成分與設(shè)計中的振蕩器有關(guān)，這些振蕩器是時鐘 PJ 的主要來源。

圖 3c：使用示波器游標(biāo)測量到低頻抖動為 180kHz。這與耦合到時鐘信號的開關(guān)電源相關(guān)。

總結(jié)

確保良好的時鐘抖動性能對于保證 DDR 系統(tǒng)的互通性至關(guān)重要。示波器上的一些可用工具和方法能夠幫助您在大量時鐘周期內(nèi)快速執(zhí)行時鐘抖動一致性測量，并能協(xié)助您對抖動源的根本原因進行分析。它們可以節(jié)省您的寶貴時間，幫助您完成驗證工作。

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