An DDR-Speichern messen Bidirektionale Signale trennen

Wachsende Herausforderung beim Messen an DDR-Speichern.
Wachsende Herausforderung beim Messen an DDR-Speichern.

Messungen an Designs mit DDR-Speichern sind mit wachsender Taktrate eine Herausforderung. Beachtet man jedoch die wesentlichen Punkte, sind diese Messungen mit der geeigneten Messtechnik gut beherrschbar. Ein Punkt dabei ist die richtige Adaption der Signale und die Auswahl der richtigen Tools.

Seit seiner Einführung als Standard in der Mitte der 1990er Jahre, ist der Double-Data-Rate- (DDR) SDRAM-Speicher nahezu allgegenwärtig, in Computern und vermehrt in Steuerungen und Embedded-Systemen. Im Vergleich zu Single-Date-Rate-SDRAM ermöglicht die DDR-SDRAM-Schnittstelle höhere Übertragungsraten durch strengere Vorgaben im Timing der elektrischen Daten und Taktsignale und durch die Tatsache, dass die Daten sowohl bei der steigenden als auch bei der fallenden Taktflanke übertragen werden.
Im Gegensatz zu schnellen, seriellen Bussen, bei denen die Signale wegen der Gleichtaktunterdrückung in symmetrischer (differenzieller) Technik ausgeführt werden, arbeitet die DDR-Technik mit parallelen, unsymmetrischen (single-ended) Signalen, und dies bei ähnlich hohen Taktraten. Probleme wie Übersprechen, Fehlanpassungen, elektromagnetische Störungen oder Jitter und Rauschen spielen auf dem DDR-Speicherbus eine große Rolle, da diese das enge Zeitbudget zwischen den Signalen noch weiter einschränken.
Der Aufwand, DDR-Schnittstellen zu testen, sollte wegen der hohen Signalbandbreite nicht unterschätzt werden. Es verlangt die Einhaltung einiger wichtiger Grundregeln, um genaue und wiederholbare Ergebnisse zu erzielen. Eine große Schwierigkeit für die Qualifizierung besteht darin, dass der Bus bidirektional aufgebaut ist, also die Signale zwischen Speichercontroller und DDR-Chips in beide Richtungen übertragen werden. Dies erhöht die Komplexität der Messung, da die Schreib- und Lese-Signale für viele Messungen getrennt betrachtet werden müssen.
Welche Anforderungen werden an die Messtechnik gestellt?
Betrachtet man die Spezifikationen für DDR-Speicher, die von der JEDEC-Organisation herausgegeben werden, so findet man dort keine Angaben über die Bandbreite oder Abtastrate, die ein DSO für diese Messungen haben sollte. Für eine Abschätzung hierzu kann man folgende Annahme treffen: Das schnellste Signal, das in der JEDEC spezifiziert ist, ist die Anstiegszeit der Flanken. Da die JEDEC diesen Wert nicht wie bei Rechtecksignalen üblich von 20 % bis 80 %, sondern als Output Slew Rate angibt, die sich auf den Spannungswert der beiden Entscheiderschwellen bezieht, muss die Anstiegszeit erst berechnet werden. Nehmen wir als Beispiel hierfür DDR3-1600. In der JEDEC finden wir einen Wert von 10 V/ns für die Anstiegszeit, bezogen auf einen Spannungsunterschied von 3 V. Dies ergibt umgerechnet auf die in einem DSO übliche Methode von 20 % bis 80 % eine Anstiegszeit von 180 ps. Nun ist die vom DSO angezeigte Anstiegszeit nicht nur vom Messsignal, sondern auch von der Eigenanstiegszeit des DSO abhängig. Hier gilt der Zusammenhang nach der Formel

a n g e z e i g t e space A n s t i e g s z e i t space equals thin space square root of left parenthesis A n s t i e g s z e i t space S i g n a l right parenthesis ² plus left parenthesis A n s t i e g s z e i t space D S O right parenthesis ² end root

Betrachten wir das nun für ein DSO mit 4 GHz Bandbreite bei 84 ps Eigenanstiegszeit, so ergibt die Berechnung, dass dieses DSO die Anstiegszeit mit 199 ps statt mit 180 ps zeigen wird, was einem Messfehler von ca. 10 % entspricht. Möchte man den Messfehler unter 5 % bringen, so muss man ein DSO mit mindestens 6 GHz Bandbreite verwenden. Für die benötige Abtastrate kann man die Faustformel für DSOs heranziehen, die besagt, dass mindestens drei Abtastwerte auf einer Flanke vorhanden sein müssen, um eine verlässliche Zeitmessung machen zu können. Für die zuvor betrachtete Anstiegszeit von 180 ps entspricht dies einer Abtastrate von >16,7 GS/s, was bedeutet, dass ein DSO mit mindestens 20 GS/s Abtastrate verwendet werden muss.

Wie und wo wird kontaktiert?

Eine weitere wichtige Frage, die vor der Messung geklärt werden muss, ist die, wo man das DSO anschließen, oder besser, wo sinnvoll kontaktiert werden kann. Durch die hohen zu messenden Frequenzen sind zusätzliche Testpunkte ungeeignet und es fehlt meistens auch der notwendige Platz, um diese im Design unterzubringen. Eine Grundregel für hochfrequente Signale besagt, dass die Messung so nah wie möglich am Empfänger erfolgen soll. Dieser Punkt ist aber gerade bei DDR-Speichermodulen, die meistens als BGA ausgeführt sind, so nicht zugänglich. Die einzigen als Messpunkte verwendbaren Punkte sind daher oft nur Durchkontaktierungen in der Nähe des Speicherbausteins. Um diese nun mechanisch kontaktieren zu können, sind Tastköpfe mit einer sehr feinen, aber dennoch flexiblen Adaption notwendig. Die Tastköpfe der WaveLink-Serie (Bild 1) bieten hier Einlöt-Varianten mit sehr langen Zuleitungen bei sehr geringen mechanischen Abmessungen, die auch eine Adaption von mehreren Tastköpfen auf engstem Raum ermöglichen.
Eine Alternative sind Interposer, also zusätzliche flexible Leiterplatten, die zwischen dem Speicherbaustein und der eigentlichen Platine eingelötet werden. Über diese Interposer werden alle benötigten Signale an Messpunkte nach außen geführt, was die Kontaktierung deutlich vereinfacht. Interposer können jedoch nicht nachgerüstet werden, sondern müssen im Rahmen der Bestückung der Platine gleich mit aufgebracht werden.