信号完整性测试 如何才能测试到芯片的的最终端

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。

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：

图7 改变后测试眼图和jitter

下图8是端接后展开的波形，在上升和下降沿处都没有观察到非单调性。

图8 改变后测试波形图

综上所述，此处PCIe Gen1测试信号完整性fail的问题是由于测试点不在最终端测试所造成的结果，可以推断此PCIe互连通道的信号完整性没有问题。

如果其它的测试遇到这样的情况也是一样，特别是一些项目的芯片很大，像FPGA那样的，如果需要测试的信号线其能探测的测试点离最终端（Die）比较远，在测试的时候又出现了问题，这个时候就需要考虑是否是由于测试点不在最终端（或最靠近最终端）造成的。

审核编辑：郭婷