扩展探头带宽以提高信号保真度

由于存储器设计日趋复杂和紧凑，数据速率越来越高，使用BGA探头探测DDR DRAM越来越受欢迎并已成为一种需求。DDR3和DDR4数据速率从800MT/s增加到约3200MT/s。存储器系统设计人员正极为关注当前BGA探测设计能否满足高带宽要求，以实现最佳的信号保真度。信号保真度对于根据JEDEC规范进行精确DDR一致性测量非常重要。此外，存储器设计人员还需进行信号完整性测量以完成裕量测试。而且，消除DDR BGA探头探测效应后的裕量可用于设计中容限更低的元器件。本文将介绍一种新的、可扩展DDR BGA探头带宽的探头校正方法，以增加信号完整性测试的裕量，并最大程度降低DDR BGA探头引起的误差。

存储器系统设计现已呈现出封装变小、容量增大及功耗降低的趋势。设计越来越紧凑，而数据传输速率则由DDR3提高到DDR4。这需要尺寸更小的嵌入式电路板设计，意味着将在更小的电路板空间上放置触点或连接器以探测关键的DDR信号(时钟、选通和数据)，进而完成验证和测试。对于设计人员来说，探测已经成为一项极具挑战性的任务。在不合适的位置进行探测会导致反射和测量结果失真。在系统中误放置探头会增加系统负荷及影响信号保真度，并将导致转换速率、上升时间、建立和保持时间等测量误差。为帮助克服这一探测挑战，工程师目前采用DDR BGA探测。DDR BGA探头所设计的独占空间(KOV)很小，在尺寸上与DRAM十分接近，并可支持示波器访问存储器件DRAM中的信号，以进行信号完整性测量(图1)。这一使用模式要求将BGA探头焊接到系统上，以及将DRAM焊接到BGA探头上。焊接需要通过BGA返修台完成。BGA探头两端的示波器焊盘提供示波器与焊入式探头的连接。

DDR BGA探头支持接近2GHz的标称带宽。BGA探头需要接近8GHz的带宽，以支持DDR3和DDR4达1600MT/s以上的数据速率。使用探头校正方法稍加补偿之后，BGA探头便能纠正由探头损耗特性引起的幅度和带宽损耗。BGA探头导致的损耗在高数据速率(1600MT/s以上)探测时更为明显。以前的探头校正方法允许用户通过波形变换软件在示波器中应用传递函数，以便对BGA探头进行补偿。可以利用BGA探头和焊入式探头的S参数文件构建传递函数文件，BGA探头的S参数文件可以通过矢量网络分析仪(VNA)、时域反射计(TDR)或仿真软件直接测量获得。该方法十分高效，但要求用户熟悉测量设备或仿真工具及转换软件。

使用示波器的最新探头校正方法支持用户对DDR BGA探头进行从探针到示波器的精确交流校准，且无需VNA或TDR等其他仪器。示波器通过输出一个快速边沿来进行交流校准。Agilent 90000X系列示波器可输出15ps边沿来完整表征VSource、VIn和VOut(其中包括探头负载特性)，并且可将测量所得信息合成到一个用于DDR BGA探测设置的定制校正滤波器。这种方法允许用户对BGA探头上的每个信号进行探测校正，并消除因制造变化而产生的探头特性。

DDR BGA探头校正程序

要想确定应用于单个探头的校正，需要对探头进行定性分析。进行DDR BGA探头校正需要设置直通夹具，然后使用示波器进行交流校准。使用直通夹具设置BGA探头的步骤为(图2)：将焊珠应用于BGA探头外行的所有接地(VSS)信号；将焊珠应用于BGA探头上一个需要探头校正的信号；通过在大块陶瓷上轻轻摩擦BGA探头，将焊珠弄平；切下两块z轴连接材料(弹性触点)并将其用胶带粘到直通夹具的两端，以便在焊珠和直通夹具之间提供接触；借助显微镜，将BGA探头平整置于直通夹具的顶部。这样，只有感兴趣的信号接触传输线，且所有接地珠通过弹性触点连接到直通夹具的接地端；连接直通夹具与示波器的通道输入端，并通过SMA电缆将CAL从示波器馈送到直通夹具；将探头焊接到BGA探头上的示波器焊盘，并连接到一个通道输入端。Vin被定义为BGA探测点上BGA探头加载的信号；VOut是BGA探头输出的信号；Vout/Vin校正，探头输出端信号是当前信号的精确表现，与探测时完全一致。

可以通过PrecisionProbe软件使用安捷伦示波器进行交流校准。PrecisionProbe软件通过Infiniinium系列示波器表征和补偿定制探头。PrecisionProbe表征BGA探头的频率响应(VOut/VIn或VOut/VSrc)，然后生成加载到示波器硬件的定制滤波器，从而确保BGA探头具有平坦的频率响应。DDR BGA探头损耗将得到补偿，并且示波器能够实现更高的带宽。除了频率响应(幅度和相位)测量，PrecisionProbe还提供了交流校准过程中生成的阻抗图，而且带宽控制支持用户使用滤波器移除不期望的高频噪声。该探头校正方法可支持用户仿真理想探头，而无需耗费大量的工程时间和资金来进行设计。

DDR技术低成本和低功耗的优点使其在移动应用领域广受青睐。由于移动行业呈现出小尺寸、存储器高数据传输速率的设计和技术发展特点，因此，如果没有可以直接访问DRAM焊珠上DDR信号的器件，存储器验证将很难完成。DDR BGA探头可帮助存储器设计人员访问DDR信号，使用示波器来进行信号完整性测量，以确保产品符合JEDEC标准。虽然多数探测都以满足被测信号带宽要求为目的，但是尺寸及设计与制造成本等其他因素也需进行衡量。借助探头校正工具(例如安捷伦PrecisionProbe)，存储器设计人员通过使用现有DDR BGA探头设计便可轻 松过度到新的DDR技术。使用DDR BGA探头测量高速存储器(1600MT/s以上的DDR3和DDR4存储器技术)需要使用PrecisionProbe软件，以便扩展带宽并增加信号完整性测试的裕量。生成传递函数模型时，需要关注源端和接收端阻抗、传输线长度、损耗和特性阻抗等极易影响性能的其他系统参数。使用这些器件评估波形(尤其是高比特率系统)，需要结合使用去嵌入软件(如安捷伦PrecisionProbe)和InfiniiSim(波形变换工具套件)。