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針對DDR2-800和DDR3的PCB信號完整性設計

2014/06/27

Terry

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摘要

本文章主要涉及到對DDR2和DDR3在設計印制線路板（PCB）時，考慮信號完整性和電源完整性的設計事項，這些是具有相當大的挑戰性的。文章重點是討論在盡可能少的PCB層數，特別是4層板的情況下的相關技術，其中一些設計方法在以前已經成熟的使用過。

1. 介紹

目前，比較普遍使用中的DDR2的速度已經高達800 Mbps，甚至更高的速度，如1066 Mbps，而DDR3的速度已經高達1600 Mbps。對于如此高的速度，從PCB的設計角度來講，要做到嚴格的時序匹配，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互相影響的，但是，它們之間還是存在一些個性的，它們可以被分類為PCB疊層、阻抗、互聯拓撲、時延匹配、串擾、電源完整性和時序，目前，有很多EDA工具可以對它們進行很好的計算和仿真，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所具有的共有技術要求和專有的技術要求。

2. PCB的疊層（stackup）和阻抗

對于一塊受PCB層數約束的基板（如4層板）來說，其所有的信號線只能走在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。而當使用6層來走線時，設計一種專用拓撲結構變得更加容易，同時由于Power層和GND層的間距變小了，從而提高了PI。

互聯通道的另一參數阻抗，在DDR2的設計時必須是恒定連續的，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上，且做到阻抗匹配，而對于差分信號，100 Ohms的終端阻抗匹配電阻必須被用到所有的差分信號終端，比如CLOCK和DQS信號。另外，所有的匹配電阻必須上拉到VTT，且保持50 Ohms，ODT的設置也必須保持在50 Ohms。

在 DDR3的設計時，單端信號的終端匹配電阻在40和60 Ohms之間可選擇的被設計到ADDR/CMD/CNTRL信號線上，這已經被證明有很多的優點。而且，上拉到VTT的終端匹配電阻根據SI仿真的結果的走線阻抗，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。而差分信號的阻抗匹配電阻始終在100 Ohms。

3. 互聯通路拓撲

對于DDR2和DDR3，其中信號DQ、DM和DQS都是點對點的互聯方式，所以不需要任何的拓撲結構，然而列外的是，在multi-rank DIMMs（Dual In Line Memory Modules）的設計中并不是這樣的。在點對點的方式時，可以很容易的通過ODT的阻抗設置來做到阻抗匹配，從而實現其波形完整性。而對于 ADDR/CMD/CNTRL和一些時鐘信號，它們都是需要多點互聯的，所以需要選擇一個合適的拓撲結構，圖2列出了一些相關的拓撲結構，其中Fly- By拓撲結構是一種特殊的菊花鏈，它不需要很長的連線，甚至有時不需要短線（Stub）。

對于DDR3，這些所有的拓撲結構都是適用的，然而前提條件是走線要盡可能的短。Fly-By拓撲結構在處理噪聲方面，具有很好的波形完整性，然而在一個4 層板上很難實現，需要6層板以上，而菊花鏈式拓撲結構在一個4層板上是容易實現的。另外，樹形拓撲結構要求AB的長度和AC的長度非常接近（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度，同事又要滿足板層的約束要求，在基于4層板的DDR3設計中，最合理的拓撲結構就是帶有最少短線（Stub）的菊花鏈式拓撲結構。

對于DDR2-800，這所有的拓撲結構都適用，只是有少許的差別。然而，菊花鏈式拓撲結構被證明在SI方面是具有優勢的。

對于超過兩片的SDRAM，通常，是根據器件的擺放方式不同而選擇相應的拓撲結構。圖3顯示了不同擺放方式而特殊設計的拓撲結構，在這些拓撲結構中，只有A和 D是最適合4層板的PCB設計。然而，對于DDR2-800，所列的這些拓撲結構都能滿足其波形的完整性，而在DDR3的設計中，特別是在1600 Mbps時，則只有D是滿足設計的。

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