DDR開強訊號會長怎樣? TX與傳輸線阻抗關係

Take-away: 

1. DDR為讀取訊號的一種方式，DDR SDRAM才是代表動態記憶體的正式名稱。
2. DDR SDRAM內阻越小，訊號震幅會越大。
3. 除了DDR SDRAM內阻，傳輸線阻抗Z0也可控制訊號震幅。
4. 當內阻Rs<傳輸線Z0，over-driven，訊號衝得快但會有上下ringing。當內阻Rs>傳輸線Z0，under-driven，訊號衝得慢不會有上下ringing。
5. DDR SDRAM驅動開更強，不見得訊號眼圖就會保證更好，需配合通道的特性來選擇驅動大小。

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身為龜毛的工程師，文章開頭先解釋一下DDR這個常誤解的名詞。DDR是Double Data Rate的縮寫，意思是一個DQS週期內可讀取兩個data，是一種讀取訊號的方式。常見另一種讀取訊號的方式為SDR(Single Data Rate)，例如Clock對Address訊號是SDR方式讀取。SDRAM可以用DDR方式讀取訊號，NAND Flash也可以使用DDR方式讀取訊號，所以單用『DDR』一詞來代表動態記憶體SDRAM其實是不正確的。為了避免誤會，專業的工程師最好使用『DDR4 SDRAM』一詞，此名詞也是JEDEC協會上正式使用的名稱哦!

NOTE: DDR為讀取訊號的一種方式，DDR SDRAM才是代表動態記憶體的正式名稱。

(如下圖)
假設訊號內阻Rs 48ohm，傳輸線Z0 40ohm，訊號源A震幅1.2V，那麼傳送到傳輸線的訊號震幅B可用分壓定律計算

• 1.2v*40ohm/(48ohm+40ohm)=545mv

若把DDR4 SDRAM的驅動開強一點，降低內阻Rs 34ohm，傳輸Z0 40ohm，則震幅B為

• 1.2v*40ohm/(34ohm+40ohm)=649mv

可看出若訊號源內阻越小，推出來的訊號B震幅越高。

NOTE: DDR SDRAM內阻越小，訊號震幅會越大。

一般DDR4 SDRAM驅動內阻為48ohm、40ohm、34ohm，若我們的驅動已經開到最強的34ohm了，那還有其他方法可讓震幅再更高嗎? 此時我們可在傳輸線阻抗動手腳。

• 內阻Rs 34ohm，傳輸線Z0 40ohm，訊號B震幅為649mv
• 內阻Rs 34ohm，傳輸線Z0 55ohm，訊號B震幅為742mv

NOTE: 除了DDR SDRAM內阻，傳輸線阻抗Z0也可控制訊號震幅。

(如下圖)
我們用實際DDR4 2666 SDRAM的IBIS model來驗證。模擬結果可看到趨勢和我們所述相同，但模擬結果的震幅並不會和上方簡單的計算結果完全相同，因SDRAM的內阻RS並不是單純的一個定值，實際上RS會隨電壓改變。

(如下圖1)
訊號由內阻傳到傳輸線後，繼續向右傳送到下一級，假設下一級的輸入阻抗Zin為無窮大，此時訊號在C點會發生反射，反射係數為RC=(Zin-Z0)/(Zin+Z0)=1，送入訊號在C點會完全正反射。

(如下圖2)
在C點，會有送進來的訊號V再加上反射的1*V，總計為2*V，所以C點訊號震幅會是剛送入B點訊號震幅的兩倍。模擬亦可看到此結果(實線為虛線的2倍大)。

(如下圖)
訊號在C點訊號會被全反射，接著往左走碰到B點又會再反射一次，反射系數RB為

• 內阻Rs 48ohm，傳輸線Z0 40ohm，RB=(48-40)/(48+40)=0.09
• 內阻Rs 34ohm，傳輸線Z0 55ohm，RB=(34-55)/(34+55)=(-0.23)

不同Rs和Z0的配置，使得在B點的反射系數一個為正，一個為負。

(如下圖)

負訊號往右走，在C點和原本訊號加一起，會讓總電壓『由高到低』。

正訊號往右走，在C點和原本訊號加一起，會讓總電壓『由低到高』。

(如下圖)
若我們把模擬時間拉長來看更多反射後的波型

內阻Rs 34ohm，傳輸線Z0 55ohm  

=> 訊號如雲霄飛車上下ringing，我們稱此為over-driven。

內阻Rs 48ohm，傳輸線Z0 40ohm 

=> 訊號如爬樓梯漸漸向上。我們稱此為under-driven。

這有個重要的概念:

• 當內阻Rs<傳輸線Z0，訊號衝得快但會有上下ringing。
• 當內阻Rs>傳輸線Z0，訊號衝得慢不會有上下ringing。

NOTE: 

內阻Rs<傳輸線Z0，over-driven，訊號衝得快但會有上下ringing。

內阻Rs>傳輸線Z0，under-driven，訊號衝得慢不會有上下ringing。

(如下圖)
傳送100bit 1.2v的訊號到DDR4 SDRAM，把訊號疊成眼圖，可以更明顯地看出不同Rs、Z0配置的訊號波型差異。Over-driven的左邊眼睛上下震幅比較高，訊號會高到1.5v低到-0.4v(嚴重的overshoot & undershoot)，且雙眼皮也比較粗。通常眼圖的中心空間越大代表訊號越好，有趣的是，左邊driving開強的眼圖真的有比右邊好嗎?其實還是需由整體通道、訊號、IO特性...等來決定。

NOTE: DDR SDRAM驅動開更強，不見得訊號眼圖就會保證更好，需配合通道的特性來選擇驅動大小。

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