Kalibrierung des Ausgangstreibers

Hintergrund

Um zwischen einem DRAM-Baustein und einem Speicher-Controller Daten mit hoher Geschwindigkeit zu übertragen, ist ein sorgfältiges Design der I/O-Treiber erforderlich, damit gewährleistet ist, dass die erforderlichen elektrischen Signalpegel beibehalten werden. Abweichungen bei Prozess, Spannung und Temperatur können die elektrischen Eigenschaften der Ausgangstreiberschaltung verändern, was dann wiederum Abweichungen von den gewünschten Signalpegeln zur Folge hat. Darüber hinaus können Abweichungen bei anderen Systemelementen, wie z. B. Leitungswellenwiderstand, Referenzspannung (Vref) und Terminierungsspannung (Vterm), Auswirkungen auf die Signalpegel haben.

Um diesen Problemen entgegenzuwirken, hat Rambus die Kalibrierung der Ausgangstreiber in Speichersystemen eingeführt. Das Ziel dabei ist, die Kommunikationsgeschwindigkeiten zu erhöhen und für viele Betriebsbedingungen mehr Zuverlässigkeit zu bieten.

Die folgende Abbildung zeigt, wie sich Data Eyes (die Darstellung der Daten während der Öffnung des Eye) durch Prozess-, Spannungs- und Temperaturabweichungen verkleinern können. Data Eyes offenbaren Einzelheiten der Qualität der Signalübertragung, wie z. B. Timing- und Spannungsbereiche. Eine robuste Signalübertragung hängt von Data Eyes ab, die einen breiten Timing- und hohen Spannungsbereich haben.

Ausgangstreiber sollen Signale zwischen hohen und niedrigen Spannungspegeln steuern. Die Bezeichnungen in der obigen Abbildung lauten V_oh und V_ol. Abweichungen bei Prozess, Spannung, Temperatur und andere Faktoren können dazu führen, dass Ausgangstreiber die gewünschten Signalpegel über- bzw. unterschreiten. Das führt zu geringeren Timing-Spannen und Spannungsbereichen, was wiederum Auswirkungen auf die Signalintegrität hat. Durch geringere Timing-Spannen wird die maximale Signalübertragungsrate eingeschränkt, da das Zeitfenster, in dem die Daten gültig sind (Breite des Data Eye), kleiner ist. Wenn die Spannungsbereiche kleiner sind, ist unter Umständen ein größerer I/O-Spannungshub nötig, um eine präzise Datenübertragung sicherzustellen. Das führt zu einem höheren I/O-Stromverbrauch und kann die Anfälligkeit des Systems gegenüber Nebensignaleffekten erhöhen. Zur Erhöhung der Signalübertragungsraten und zur Reduzierung des I/O-Stromverbrauchs muss die Pegelunterschreitung bzw. -überschreitung der Ausgangstreiber behandelt werden.

Lösungen von Rambus

Mittels Kalibrierung der Ausgangstreiber können durch Regelung der Ausgangstreiberstärke optimale Signalpegel eingestellt und aufrechterhalten werden. Dadurch werden dann Abweichungen bei Prozess, Spannung und Temperatur kompensiert. Bei einer Kalibrierung der Ausgangstreiber während des normalen Betriebs kann auf Änderungen der Spannung und Temperatur (die während des Betriebs schwanken können) mit einer Regelung der Ausgangstreiberstärke reagiert werden.

Bei der Ausgangstreiberkalibrierung wird die Rückkoppelung an der Ausgangstreiberschaltung zur Regelung der Impedanz der Ausgangstreiberschaltung verwendet. Dadurch wird die Treiberstärke der Schaltung gesteuert und eine optimale Signalleistung erreicht. Die Ausgangsimpedanz des Treibers wird mit dem Referenzwiderstand RZQ außerhalb des Bausteins verglichen. Die Ausgangsimpedanz wird dann gleich oder proportional zum Referenz-Präzisionswiderstand kalibriert.

Der obige Schaltkreis veranschaulicht, wie eine Ausgangstreiber-Kalibrierungsschaltung konfiguriert werden kann. Der Spannungsabfall am obersten Widerstands-Array hängt vom Zustand der entsprechenden mit diesen Widerständen in Reihe geschalteten Transistoren und von der Größe des Widerstands RZQ in der Leitung ab. Die Zustände der Transistoren im Transistor-Array werden einzeln durch das „Drive Strength Register“ gesteuert und so eingestellt, dass V_term = V_ref ist. Die Referenzspannung V_ref ist repräsentativ für den gewünschten Ausgangssignalpegel. Wenn die Bedingung V_term = V_ref erfüllt ist, ist die Impedanz im oberen Teil des Netzwerktrenners für den Treiber voll optimiert. Die zur Konfiguration des Transistor-Arrays verwendeten Werte können in einem Register gespeichert und bei Bedarf aktualisiert werden.

Die obere Abbildung veranschaulicht die Wirkung der Ausgangstreiberkalibrierung auf die Über- und Unterschreitung des Pegels entlang der Übertragungsleitung. Die Reduzierung der Über- und Unterschreitung führt zu größeren Spannungs- und Timing-Spannen.

Der Referenzwiderstand RZQ und ein großer Teil der Schaltung für die Ausgangstreiberkalibrierung können auch für die ODT-Kalibrierung verwendet werden.

Welche Vorteile ergeben sich daraus?

Von der Kalibrierung des Ausgangstreibers profitieren folgende Bereiche:

Aufgrund der Ausgangstreiberkalibrierung können die DRAM-Ausgangstreiber automatisch Prozessabweichungen kompensieren. Dadurch erhöht sich der Durchsatz des DRAMs und die Bausteine können leichter an Testspezifikationen angepasst werden.

Platinen-Entwickler können durch Kalibrierung des Ausgangstreibers Abweichungen des Leitungswellenwiderstands und der Terminierungsspannung kompensieren, die auf die Herstellungs- und Montageverfahren zurückzuführen sind. Darüber hinaus können Bauteilspezifikationen gelockert werden, weil die Herstellungstoleranzen einiger Bauteile durch Anpassen der Ausgangstreiberstärke kompensiert werden können. Die Kalibrierung des Ausgangstreibers führt zudem zu einer zuverlässigeren Signalübertragung, die höhere Kommunikationsgeschwindigkeiten ermöglicht.

Durch Kalibrierung des Ausgangstreibers können Systemintegratoren einen DRAM in mehreren Designs einsetzen, die mit verschiedenen Leitungswellenwiderständen und in unterschiedlichen Umgebungen arbeiten. Außerdem werden durch die Kalibrierung des Ausgangstreibers Spannungsbereiche und Timing-Spannen vergrößert, was bei einem breiteren Spektrum an Betriebsbedingungen für eine höhere Systemzuverlässigkeit sorgt. Darüber hinaus können durch die Regelung der Treiberstärke Temperaturschwankungen kompensiert werden. So können Systemintegratoren Stromverbrauchs- und Temperaturvorgaben besser umsetzen und dadurch die Gesamtkosten des Systems senken.