隨著工藝的進(jìn)步,邏輯集成電路的工作電壓越來(lái)越低,速度也越來(lái)越高。很多標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件的接口驅(qū)動(dòng)器都是對(duì)稱的上下拉結(jié)構(gòu),只要相應(yīng)位置的電壓低于某個(gè)值或高于某個(gè)值,我們就可以得到確切的邏輯0或邏輯1狀態(tài)。但是,隨著電路工作頻率的提高,這種簡(jiǎn)單的邏輯判斷方法有時(shí)候就行不通了,于是就有新的邏輯接口層出不窮地冒出來(lái),這些新的接口通常都有一個(gè)很重要的特征:它們是對(duì)稱的,外電路也是對(duì)稱的,下面的內(nèi)容算是這樣的一個(gè)例子。
DDR SDRAM是SDRAM的升級(jí)版,它可以在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿各進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸,因而可以在相同的時(shí)鐘頻率下將數(shù)據(jù)吞吐速率提升一倍。隨著DDR存儲(chǔ)器的潛力被不斷挖掘,我們已經(jīng)見(jiàn)到了DDR、DDR2、DDR3、DDR4和其它的一些特別版本,它們的工作電壓越來(lái)越低,時(shí)鐘速度也越來(lái)越快,但它們所采用的數(shù)據(jù)接口的邏輯卻沒(méi)有什么大的變化。實(shí)際上,這些存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)接口所采用的邏輯都是一種被稱為SSTL的邏輯,這個(gè)稱呼是“Stub Series Terminated Logic”的首字母縮寫(xiě)。我實(shí)在不知道要如何用中文來(lái)準(zhǔn)確地表達(dá)這個(gè)稱呼,因?yàn)槲也恢蓝x者是如何定義Stub的意義的,雖然我可以憑自己的猜測(cè)進(jìn)行估計(jì),但我覺(jué)得最好還是不要這樣做。對(duì)此感興趣的讀者可以參考一個(gè)來(lái)自百度百科的翻譯,它把SSTL稱之為“短截線串聯(lián)端接邏輯”。
SSTL的第一個(gè)版本是在1996年發(fā)布的,它所針對(duì)的應(yīng)用是工作頻率高于125MHz的存儲(chǔ)器,由于工作電壓為3.3V,這個(gè)版本被稱為SSTL-3。SSTL的后續(xù)版本有SSTL-2、SSTL-18和SSTL-15,它們分別針對(duì)工作電壓為2.5V、1.8V和1.5V的應(yīng)用。
從驅(qū)動(dòng)器的角度來(lái)看,SSTL的電路結(jié)構(gòu)是這樣的:
驅(qū)動(dòng)器的輸出是VOUT,經(jīng)過(guò)串聯(lián)電阻RS和傳輸線以后到達(dá)接收器一側(cè)的電壓是VIN。很顯然,VOUT和VIN的值與驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力有關(guān),也和驅(qū)動(dòng)器的供電電壓VDDQ 、串聯(lián)電阻RS 、終端匹配電阻RT和終端電壓VTT的值有關(guān)。
對(duì)于SSTL-3來(lái)說(shuō),VDDQ=3.3V,VTT的取值是VDDQ的0.45倍,它被設(shè)定為1.5V。其他版本的SSTL都將VTT設(shè)定為VDDQ的0.5倍。
接收器在判斷接收到的信號(hào)是高電平還是低電平的時(shí)候需要一個(gè)參考電壓VREF,VREF的值和VTT的值是相同的。只要VIN電壓高于VREF某個(gè)電壓值即可判定輸入為1,VIN電壓低于VREF某個(gè)電壓值即可判定輸入為0。由于高速傳輸?shù)男盘?hào)很容易發(fā)生畸變,也很容易受到干擾,所以VIN高于VREF或低于VREF的量在很小的情況下就需要接收器判斷出數(shù)據(jù)的真實(shí)值。在這里,數(shù)據(jù)0和1的電壓相對(duì)于VREF基本上是對(duì)稱的,與VTT之間的關(guān)系也是如此。
上圖顯示的是VIN的可能的波形的樣子。當(dāng)VIN電壓高于VIH(dc)的時(shí)候,VIN的電壓所代表的就是數(shù)據(jù)1;當(dāng)VIN電壓低于VIL(dc)的時(shí)候,VIN的電壓所代表的就是數(shù)據(jù)0。疊加在波形上的振蕩波形被稱為交流部分,它們屬于干擾,是我們不希望出現(xiàn)的東西,所以在標(biāo)準(zhǔn)中就規(guī)定了這些信號(hào)的幅度限制。很顯然,如果交流部分的幅度下探到VIH(dc)以下或上探到VIL(dc)以上,則數(shù)據(jù)1或0的狀態(tài)就受到了破壞,因而對(duì)它們的限制是很合理的。
由于VREF=VTT,在數(shù)據(jù)為1時(shí)就有電流從VIN處經(jīng)電阻RT流入VTT,在數(shù)據(jù)為0時(shí)就有電流從VTT經(jīng)電阻RT流入VIN處。
很顯然,電流從VTT流出將導(dǎo)致VTT電壓的降低,電流流入VTT則將導(dǎo)致其電壓的升高。為了保證VTT電壓的穩(wěn)定,為VTT供電的電源管理電路需要在VTT電壓降低時(shí)向VTT提供電荷(吐出電流),在VTT電壓升高時(shí)將VTT處的電荷吸走(吸入電流),實(shí)現(xiàn)這樣功能的電源器件被稱為DDR存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線終端電壓調(diào)節(jié)器,這個(gè)稱呼實(shí)在是太啰嗦了,所以比較簡(jiǎn)單的說(shuō)法是DDR終端電壓調(diào)節(jié)器或DDR終端穩(wěn)壓器。我自己會(huì)比較喜歡DDR終端電壓調(diào)節(jié)器這個(gè)說(shuō)法,我很難說(shuō)清楚為什么是這樣,但我有一種感覺(jué)是來(lái)源于這種器件與普通的穩(wěn)壓器是有很大的區(qū)別的緣故。
DDR終端電壓調(diào)節(jié)器的電流吸入和吐出的能力需要有多高呢?這是可以進(jìn)行估算的,估算的時(shí)候需要考慮很多因素:總線的寬度(同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的位數(shù)),需要終端匹配的存儲(chǔ)器的數(shù)量(如果有多個(gè)存儲(chǔ)器模組,總線就會(huì)有多個(gè)分支,每個(gè)分支的終端都需要進(jìn)行匹配處理),VDDQ和VREF的高低以及終端匹配電阻RT的大小,信號(hào)的實(shí)際幅度(VIN的電壓與VTT之間的壓差直接影響著電流的大?。?。
關(guān)于RT的大小,這其實(shí)是與總線的阻抗有關(guān)的,其取值通常為50Ω,但另外一種配置就是25Ω,這將導(dǎo)致電流增加一倍的效果。
早期的PC在解決這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候都是采用大電流的Buck架構(gòu)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器來(lái)完成DDR存儲(chǔ)器的終端匹配電源供應(yīng)的,我猜想這是基于如下的考慮:當(dāng)所有的數(shù)據(jù)線都處于0或是1的狀態(tài)時(shí),VTT電源要吐出或是吸入的電流是巨大的;工作在PWM模式下的Buck既可以吐出電流,也可以吸入電流,它吸入的電流通過(guò)Boost的方式被送入Buck的輸入端,還可以起到回收能源的效果。
上圖截取自RT9210的規(guī)格書(shū),這是立锜的一款老產(chǎn)品,其中就含有兩組Buck,可以分別為DDR存儲(chǔ)器提供VDDQ和VTT供應(yīng),DDR存儲(chǔ)器需要的VREF等電壓也一并提供,但是,這樣的產(chǎn)品卻不是今天DDR存儲(chǔ)器供電的常見(jiàn)選擇。
常見(jiàn)的選擇是這樣的:
這是為VTT和VREF供電的電路圖,所選型號(hào)是RT2568,這是一款工業(yè)級(jí)的DDR終端電壓調(diào)節(jié)器,具有3A的電流吐納能力。其內(nèi)部電路框圖是這樣的:
從中可以看到,從SENSE端檢測(cè)到的輸出電壓VOUT(也就是我們需要的VTT)被拿來(lái)與經(jīng)過(guò)緩沖處理的REFIN即REFOUT進(jìn)行比對(duì),如果發(fā)現(xiàn)VOUT高了,輸出部分的下面那個(gè)MOSFET就會(huì)導(dǎo)通將VOUT端的電荷吸走以降低其電壓,反之則導(dǎo)通上面那個(gè)MOSFET讓電流從VIN處流入VOUT使輸出電壓上升,從而使輸出電壓VOUT穩(wěn)定在和REFIN相同的電壓上。
本來(lái)過(guò)去都是使用Buck來(lái)完成此功能的,現(xiàn)在大家都選擇使用這種線性的方式,這種轉(zhuǎn)換是如何完成的呢?要了解這一點(diǎn),需要我們將目光投射到十幾年前的***。
1998年9月,立锜科技在***的新竹成立,來(lái)自各種不同專業(yè)的大約15個(gè)人一起成立了一家全新的IC設(shè)計(jì)公司,定位于專業(yè)的模擬IC設(shè)計(jì)方向,啟動(dòng)資金為大家湊集起來(lái)的500萬(wàn)元新臺(tái)幣。由于這個(gè)時(shí)期是PC代工業(yè)在***正紅火的時(shí)候,他們看上了PC應(yīng)用中的電源管理需求,決心進(jìn)入其中為大家服務(wù)并希望能藉此從中分到一杯羹。
在成立的當(dāng)年(1998年),立锜的第一顆產(chǎn)品RT34063A就開(kāi)發(fā)完成并投入量產(chǎn)。
第二年(1999年),立锜自制的測(cè)試機(jī)臺(tái)RTT正式啟用。同時(shí),PC主機(jī)板的四合一PWM IC和ACPI 控制器也開(kāi)發(fā)完成并投入生產(chǎn)。對(duì)于IC設(shè)計(jì)公司來(lái)說(shuō),測(cè)試機(jī)臺(tái)的投入在成本上是排在第二位的,所以,立锜自制測(cè)試機(jī)臺(tái)的做法對(duì)于降低成本、提升競(jìng)爭(zhēng)力是很有幫助的。
第三年,也就是2000年,立锜遷入新的公司地址,并且通過(guò)了ISO2001的認(rèn)證,用于USB端口的保護(hù)IC也上市了。與此同時(shí),他們對(duì)DDR存儲(chǔ)器終端電壓調(diào)節(jié)器要采用Buck來(lái)完成的做法產(chǎn)生了懷疑,他們認(rèn)為根本不需要那么大的電流吐納能力就可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要,因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)同時(shí)為0或同時(shí)為1的機(jī)會(huì)是極少的。只要有0和1同時(shí)出現(xiàn),流過(guò)RT的電流就會(huì)有相互抵消的效果。即使同時(shí)為0或1的數(shù)據(jù)會(huì)偶然出現(xiàn),其延續(xù)時(shí)間也極短,由此造成的VTT電壓波動(dòng)是很小的,而且很容易被電容的儲(chǔ)能能力彌補(bǔ),于是乎一顆劃時(shí)代的產(chǎn)品就出現(xiàn)在了這個(gè)世界上,它的型號(hào)是RT9173。直至今日,RT9173仍在生產(chǎn)中,你還可以從立锜科技的官網(wǎng)上查看到它的規(guī)格書(shū)。
RT9173的出現(xiàn)對(duì)市場(chǎng)的影響是巨大的。與Buck相比,它實(shí)在是太簡(jiǎn)單了,成本差異巨大,所以迅速獲得了市場(chǎng)的認(rèn)可,成為立锜在最短時(shí)間內(nèi)累計(jì)出貨量超過(guò)1億顆的產(chǎn)品。而在這個(gè)時(shí)候,我還沒(méi)有進(jìn)入立锜,甚至還沒(méi)有進(jìn)入IC這個(gè)行業(yè)。
在我進(jìn)入立锜以后,有人對(duì)我說(shuō)后來(lái)的立锜上市就是因?yàn)镽T9173,因?yàn)樗鼮榱㈣熧嵙颂嗟腻X(qián)。我很難說(shuō)這一傳說(shuō)所說(shuō)的是否是事實(shí),因?yàn)槠鋵?shí)在RT9173出現(xiàn)之前立锜就已經(jīng)有了很多好產(chǎn)品,而在2003年上市以前我在深圳推給客戶的產(chǎn)品還有很多強(qiáng)大的東西,關(guān)心我們的微信號(hào)的老朋友們?cè)谖疫^(guò)去的文章中已經(jīng)多多少少看到過(guò)一些,所以我覺(jué)得把所有的功勞都放在RT9173上是有點(diǎn)過(guò)頭的,但它的功勞肯定是大大的。
RT9173的設(shè)計(jì)是有專利的,它也是立锜的第一顆擁有專利的產(chǎn)品。但是,那時(shí)候的立锜還太過(guò)弱小,對(duì)于專利的理解也還不到位,所以,它的專利文件在寫(xiě)法上太過(guò)具體,其覆蓋面積實(shí)在太小,保護(hù)自己的作用實(shí)在是不大,所以,后來(lái)的市場(chǎng)上就出現(xiàn)了很多和RT9173長(zhǎng)得一模一樣的產(chǎn)品。我不知道那些大公司抄襲小公司的產(chǎn)品是從何時(shí)開(kāi)始的,但這大概是算一例吧,這也是立锜第一次成為被模仿者,而這對(duì)立锜來(lái)說(shuō)還僅僅是個(gè)開(kāi)頭。
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