PCI-Express Gen1 jitter测试问题分析以及解决方案

frankie.wang · 发表于 2016-2-1 13:50

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进进按语：

在柯文大师的文章《高速总线测试验证技术》中，他提到了测试着色问题。这是个新概念一般的名词。其实就是探头的负载效应，是高速测量中最常见的问题也是难以解决的问题。修国兄这篇文章正是这种测试着色问题引起的jitter测试结果Fail的问题。最终验证办法是很“粗暴”的：撬掉BGA封装的芯片，在芯片管脚位置焊接50 Ohm端接电阻。

我刚给修国兄电话，和他讨论这50 Ohm电阻是怎么焊的。此外，我想为Stub找个合适的中文翻译。修国兄的解释是，这个Stub字面翻译是“桩”。对于做仿真的人士，是个常见名词，但不太好找到合适的专业词语翻译成中文。意思是，如果不在最终端测试信号，测试点到最终端之间的PCB走线长度就是一段Stub，一段“桩”。

高速信号的一致性测试在有些时候是一种为测试而测试的Step by step操作。一个SI工程师如果不具备修国兄这种遇到问题深入分析的能力，停留在为测试而测试的过程，最终将成为一个没有价值感的“测试工”而不是一个优秀的SI工程师。柯文大师一直强调将测试融入到设计和硬件调试的全过程是一个很好培养优秀的SI工程师的思路。

Fail之后怎么办？这是一个问题！面对这个问题的态度和求真精神将决定一个工程师在工程实践方面的成长极限。

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项目背景:

项目为一个云端运算的产品，所有的高速和低速信号都要进行信号完整性测试，其中包括高速串行信号PCI-Express Gen1( 简称PCIe Gen1)。PCIe Gen1信号分为CEM和base两种情况，CEM的测试可以使用 PCI-sig协会的fixture直接进行测试；base的测试直接使用探头探测最终端的测试点，这样就会带来一个问题，如何才能测试到芯片的的最终端？因为，信号的互连通道不仅仅包含了PCB走线，还包含了芯片内部的布线，一般我们认为测量到芯片内部的Die才算最终端。

该项目的PCIE 1.0是属于PCIe base的，互连CPU与以太网PHY，如下图1所示：

图1 原理框图

所以测试的时候，需要将probe探测到最终端，但是对于目前示波器测试而言，都只能测试到芯片的引脚上，没有办法探测到最终端的Die上，如下图2所示。

图2 测试点只能探测到芯片的管脚

测试设备：示波器（16GHz），测试探头（16GHz），万用表，烙铁，校准板，网络分析仪（带TDR选件）

分析软件：Intel Sigtest

问题描述以及分析：

在测试接收端（RX）的信号时，以太网PHY发送信号，测试点选在CPU BGA下方的过孔上，信号没有任何问题，眼图和jitter都能满足PCI-sig协会规范。测试发送端（TX）时，CPU发送信号，以太网PHY是接收端，由于PHY芯片封装是QFP的，所以探头点在引脚上。得到测试波形后，在分析软件中分析波形，能通过眼图模板测试规范，但是发现jitter过不了规范，重复几次测试都是如此。再校准示波器和测试探头再测试，依然如此。每次得到的结果如下图3所示：

图3 眼图和jitter测试

结果显示fail，而且是jitter fail。 jitter的问题一般都是比较麻烦的。从眼图上看，眼图的轨迹很稀松，也不是很光滑。

将示波器的原始波形展开放大观察，发现信号在上升和下降沿上出现了非单调的现象，对比眼图，正好能对应上眼图的交叉点处，如下图4所示。

图4 测试波形图

一般非单调是因为阻抗不连续造成的。在PCB生产完成之后，我们对高速信号进行了阻抗的测试，对应的阻抗如下图5所示：

图5 阻抗测试曲线

上图所示，这是使用网络分析仪的TDR软件测试得到的结果，信号线的设计阻抗为85ohm，有上图5红色框曲线所示，测试阻抗都能满足在85ohm +/-10以内的设计要求，可以认为其阻抗一致性比较好。不存在信号线阻抗突变的问题。如果阻抗没有突变，一般在测试时出现这种非单调的情况，大多时候都是由于测试不在最终端所造成的（当然，最终端的die达不到，那么至少要求stub最短）。

项目使用的以太网 PHY封装如下图6所示：

图6 芯片封装

这种封装，很多时候其芯片内部走线比较长，那么在测试的时候，其探测点在芯片的引脚上，那么内部的走线就是一段stub，显然，这一段stub很长，由于stub的作用，很可能最终导致其测试时信号波形出现非单调。进而影响眼图、jitter等信号完整性的表现。

解决方案：

分析了相关的原因后，怀疑就是在测试时芯片内部的走线形成了stub，那么在测试把芯片去掉，在PCIE信号两个引脚上分别焊接上50ohm的端接电阻，类似PCIE CEM的测试一样，探头连接在电阻端进行测试，这样就不会存在stub，如果信号波形是好的，都能满足眼图、jitter等性能指标，那么怀疑是芯片内部的走线引起的stub导致的反射，这就是成立的，这样的情况可以认为PCIe的互连通道的信号完整性能满足产品和规范的要求。

芯片去掉之后，端接上电阻，得到眼图和jitter分析结果如下图7所示：