Podczas projektowania urządzeń wbudowanych z pamięciami DDR istotnym wyzwaniem jest zachowanie integralności sygnałowej w obliczu fluktuacji napięć zasilania i masy. Problem staje się coraz poważniejszy, w miarę jak napięcia zasilania są obniżane, a częstotliwość pracy rośnie – wówczas wymagana jest bardziej dokładna stabilizacja napięcia szyny oraz niższy jitter.
Zadanie
Stabilność systemu dystrybucji zasilania jest bardzo ważna z punktu widzenia projektów wykorzystujących pamięci typu DDR. O ile pamięci DDR3 tolerowały tętnienia na poziomie 75 mV (wartość międzyszczytowa), dla pamięci DDR4 margines ten zmalał do 60 mV. Istnieje też duże prawdopodobieństwo, że zmaleje jeszcze bardziej w przyszłości. Tętnienia i szumy w systemie dystrybucji zasilania negatywnie wpływają na wahania zegara i linii danych (jitter), co ma bezpośrednie przełożenie na możliwość transmisji danych. Ocena jakości sieci dystrybucji zasilania w systemach wbudowanych zawierających pamięci DDR jest zatem istotnym zadaniem.
Rozwiązanie pomiarowo-testowe
Sonda szyny zasilania R&S RT-ZPR20 jest wyspecjalizowaną sondą oscyloskopową przeznaczoną do pomiarów na szynach zasilania z bardzo niskim szumem. Ta aktywna sonda ze wzmocnieniem 1:1 ma zintegrowany przesuwnik poziomu, który pozwala na obserwację tętnienia na tle napięcia szyny zasilania. Sonda jest kompatybilna z cyfrowymi oscyloskopami z serii R&S RTE oraz R&S RTO. Sonda wnosi tylko 10% dodatkowych szumów, pozwalając na dokładne pomiary tętnień i składowej szumu. Ma pasmo 2 GHz, które pozwala na obserwację skoków napięcia na wysokich częstotliwościach lub sygnałów radiowych sprzęgających się z szyną zasilania. Ze względu na niski spadek wzmocnienia z częstotliwością możliwa jest obserwacja pasma 2,4 GHz przy stosunkowo niewielkim tłumieniu. Sonda zapewnia znacznie większą impedancję dla napięć stałych – 50 kΩ – w porównaniu do bezpośredniego połączenia z wykorzystaniem kabla współosiowego. Dzięki temu nie zwiększa w istotny sposób obciążenia sieci dystrybucji zasilania.
Rys. 1. Końcówka sondy R&S RT-ZPR20 doskonale sprawdza się podczas badania poziomów składowej stałej wielu zasilaczy występujących na płytce PCB.
Weryfikacja składowej stałej zasilania za pomocą sondy
Dokładność zapewnianej składowej stałej linii zasilania można łatwo ocenić za pomocą dokładnego woltomierza wartości stałej R&S ProbeMeter zintegrowanego w końcówce sondy. Gwarantuje on dokładność pomiaru składowej stałej 0,1% niezależnie od poziomu i eliminuje potrzebę stosowania osobnego woltomierza DC. Z kolei druga końcówka o paśmie 350 MHz pozwala na łatwe testowanie wszystkich linii zasilania na płytce PCB. Dodatkowe akcesoria końcówki, takie jak klips SMT lub dwupinowy adapter pozwalają na wygodniejsze podłączenie się do badanego urządzenia, jeżeli końcówka sprężynowa okaże się nieodpowiednia.
Rys. 2. Przewód bez końcówki nie ogranicza pasma sondy i zapewnia doskonałe połączenie bezpośrednio z punktem pomiarowym.
Konfiguracja pomiarów linii zasilania DDR4
Wiarygodne pomiary zasilania pamięci DDR wymagają podłączenia sondy tak blisko kości DDR, jak to możliwe. W takim przypadku przydają się przewody z usuniętą końcówką. W typowej konfiguracji, w której pamięć DDR jest obsługiwana przez układ FPGA, nieużywany pin FPGA jest wykorzystywany do pomiaru napięcia kości DDR bezpośrednio z FPGA. Ten pin I/O przechodzi w stan wysoki lub niski w zależności od tego, czy napięcie na kości DDR jest wysokie, czy niskie. Jednocześnie jest on mierzony zewnętrznie za pomocą sondy na linii zasilania. Zazwyczaj jest to najbliższy punkt, w którym można mierzyć stan zasilania.
Metody pomiaru za pomocą oscyloskopu
Możliwe są dwie metody pomiaru tętnień i szumów na linii zasilania DC:
- Korzystając z funkcji nieograniczonego utrzymania obrazu oscyloskopu można zarejestrować i wyświetlić wszystkie zakłócenia. W połączeniu z automatycznym pomiarem wartości międzyszczytowej i statystykami można łatwo zmierzyć maksymalny poziom zakłóceń napięcia. W przypadku oscyloskopu o wysokiej szybkości odświeżania, np. R&S RTO lub R&S RTE osiągających szybkość do miliona przebiegów na sekundę, w ciągu kilku chwil można uzyskać wiarygodne wyniki pomiarów.
- Wykorzystanie oscyloskopu w trybie wyzwalania 'single’ lub 'normal’ pozwala na wyzwalanie w momencie występowania zaburzenia znanego typu. W przypadku zasilania pamięci DDR są to zazwyczaj pomiary odpowiedzi na obciążenie w fazie rozruchu pamięci DDR lub podczas testów obciążeniowych.
Rys. 3. Pomiary resztkowych tętnień na linii zasilania DDR4 1,2 V. Zintegrowany w końcówce sondy woltomierz wartości stałej R&S ProbeMeter pozwala na dokładną weryfikację poziomu DC.
Rys. 4. Pomiar odpowiedzi na obciążenie zasilania DDR4 w fazie rozruchu pamięci DDR.
Podsumowanie
Dokładne pomiary szumów i tętnień na liniach zasilania wymagają oscyloskopu o szerokim paśmie i dedykowanej sondy, która pozwala na pomiary niskich poziomów szumów. Potrzebna jest też funkcja przesunięcia poziomu, która pozwala na dokładny pomiar na tle napięcia DC. Sonda dla linii zasilania R&S RT-ZPR20 w połączeniu z cyfrowymi oscyloskopami R&S RTE oraz R&S RTO jest świetnie przystosowana do tego zadania.
