抖動(dòng)是相對于系統時(shí)鐘測量的。采用嵌入式時(shí)鐘的系統，會(huì )降低低頻抖動(dòng)，但必須使用能夠仿真精密時(shí)鐘恢復方式的示波器來(lái)分析這些系統。6系列增強型混合信號示波器MSO6B既有用戶(hù)可編程的時(shí)鐘恢復方式，又有標準指定的時(shí)鐘恢復方式。除抖動(dòng)和功率完整性功能外，MSO6B高帶寬和低噪聲使其特別適合進(jìn)行調試工作。

 

本文使用MSO6B來(lái)演示抖動(dòng)和電源軌道測量，因為其引起的噪聲低，特別適合這些測量。該示波器配有數字功率管理(DPM)選項和高級抖動(dòng)分析(DJA)。雖然我們以6系列B MSO為例，但5系列MSO也提供了相同的測量功能。

 

信號完整性和功率完整性對誤差的影響

 

數字誤差是由抖動(dòng)和噪聲引起的。噪聲是一種廣義上的概念，指信號幅度變化。抖動(dòng)是位跳變的定時(shí)相對于數據速率時(shí)鐘的變化，也就是所謂的時(shí)間間隔誤差(TIE)。抖動(dòng)是由相噪和幅度噪聲到抖動(dòng)轉換引起的。噪聲到抖動(dòng)轉換會(huì )引發(fā)串擾、EMI (電磁干擾)、隨機性噪聲等問(wèn)題。

 

信號完整性分析集中在發(fā)射機、基準時(shí)鐘、通道和接收機的BER (誤碼率)性能上。功率完整性分析集中在PDN提供恒壓電源軌道和低阻抗回路的能力上。信號完整性和功率完整性有著(zhù)廣泛的相關(guān)性。PDN可能會(huì )導致噪聲和抖動(dòng)。電路設計和各種元器件，如芯片封裝、引腳、軌跡、通路、連接器，都會(huì )影響PDN的阻抗，進(jìn)而影響提供的功率質(zhì)量。

 

調試信號完整性問(wèn)題要先從眼圖開(kāi)始

 

硬件調試可能要先從眼圖分析開(kāi)始。眼圖由相對于時(shí)鐘的多個(gè)重疊的波形組成，如圖1所示。交點(diǎn)的水平寬度表示抖動(dòng)，眼圖頂部和底部的垂直寬度表示噪聲。眼圖張開(kāi)很寬，則對應BER低。執行模板測試是測量信號質(zhì)量的一種簡(jiǎn)便方式。

 

某些標準指定了一個(gè)模板，可以簡(jiǎn)單地評估被測器件上的信號完整性。在MSO6B上，可以從基于標準的模板列表中選擇模板，也可以以自定義的方式建立模板。遺憾的是，通過(guò)模板測試并不能保證系統在允許的最大BER (一般來(lái)說(shuō)BER ≤ 1E-12)以下工作。

 

 

圖1. 眼圖，頂部是模板測試，底部是對應的波形。

 

抖動(dòng)分析

 

不管我們是否通過(guò)模板測試，如果信號完整性仍存在問(wèn)題，那么我們就要執行抖動(dòng)分析。圖2把抖動(dòng)分成不同的成分和子成分，圖3顯示了抖動(dòng)摘要測量，從左上開(kāi)始順時(shí)針?lè )较虬ǎ涸「讏D、眼圖、TIE頻譜和直方圖、抖動(dòng)測量結果和波形。

 

在劃分抖動(dòng)時(shí)，首先要把TIE分布分成隨機性成分和確定性成分，也就是RJ (隨機性抖動(dòng))和DJ (確定性抖動(dòng))。DJ進(jìn)一步劃分成與數據中的位序列有關(guān)的抖動(dòng)—DDJ (數據相關(guān)抖動(dòng))，以及與其無(wú)關(guān)的抖動(dòng)，如PJ (周期性抖動(dòng))。

 

如果眼圖交點(diǎn)分布寬，那么表明抖動(dòng)是隨機性的。如果眼圖表現為由許多近乎不同的線(xiàn)組成，那么表明眼圖是DDJ，可能源于信號路徑中的阻抗不匹配，但眼圖分析在查找眼圖閉合根本原因時(shí)幾乎沒(méi)有什么幫助。在配備選配的高級抖動(dòng)分析(DJA)包時(shí)，MSO6B可以測量多種抖動(dòng)類(lèi)型，找到硬件漏洞，包括：TIE，RJ，DJ，DDJ，PJ，TJ (總抖動(dòng))，EH (眼高)，EW (眼寬)，眼高，眼低。表1列出了不同的抖動(dòng)類(lèi)型及導致抖動(dòng)的原因實(shí)例。

 

圖2. 把抖動(dòng)劃分成不同的成分。

 

圖3. 抖動(dòng)摘要截屏。

 

表1. MSO6B上執行的抖動(dòng)測量及常見(jiàn)原因實(shí)例。

 

時(shí)鐘上的隨機性抖動(dòng)和周期性抖動(dòng)

 

時(shí)鐘設定發(fā)射機中的位跳變定時(shí)及接收機中的分片器定時(shí)。分布式時(shí)鐘為相關(guān)組件提供了一個(gè)常用的定時(shí)基準，可以在示波器上直觀(guān)觀(guān)察分布式時(shí)鐘。

 

在嵌入式時(shí)鐘系統中，我們不能直接觀(guān)測時(shí)鐘信號。振蕩器集成在發(fā)射機芯片中，接收機從數據中恢復時(shí)鐘信號。CR(時(shí)鐘恢復)電路使用PLL(鎖相環(huán))、DLL(延遲鎖定環(huán)路)或類(lèi)似技術(shù)從數據跳變中提取數據速率時(shí)鐘。嵌入式時(shí)鐘較分布式時(shí)鐘有多種優(yōu)勢：第一，它們不要求額外的軌跡完成分布；第二，它們會(huì )過(guò)濾低頻抖動(dòng)。

 

時(shí)鐘噪聲作為隨機性抖動(dòng)和/或周期性抖動(dòng)傳播到信號上。如果數據速率時(shí)鐘上的隨機性抖動(dòng)太高，那么時(shí)鐘相噪可能會(huì )引發(fā)問(wèn)題。盡管相噪在時(shí)鐘上不可避免，但如果觀(guān)察到有大量的周期性抖動(dòng)，則表明出現了問(wèn)題。

 

分析分布式時(shí)鐘上的抖動(dòng)

 

由于分布式時(shí)鐘系統中的示波器探頭可以接入時(shí)鐘，所以我們可以在MSO6B的Spectrum View頻譜視圖中分析時(shí)鐘。諧振應該銳利、窄，沒(méi)有諧波雜散信號。所有諧振都有一些近載波相噪，也就是隨機性抖動(dòng)的來(lái)源，但如果諧振寬且呈塊狀，并且白噪聲過(guò)高，那么這種諧振則是由于電子器件有噪聲、電阻器件或電子器件過(guò)熱引起的。雜散信號會(huì )引起周期性抖動(dòng)，可能是由于振動(dòng)和EMI引起的，其可能來(lái)自PDN。

 

圖4所示的時(shí)鐘頻譜和波形擁有干凈銳利的諧振，但有許多雜散信號，約比諧振低50dB，在時(shí)域中會(huì )看到其影響。雜散信號在數據信號中可能會(huì )導致周期性抖動(dòng)，但借助手邊的雜散信號頻率，我們通常能夠找到問(wèn)題，只需檢查系統設計中的振蕩器或開(kāi)關(guān)電路是否會(huì )在這些頻率產(chǎn)生EMI輻射。

 

圖4. 時(shí)鐘頻譜(頂部)和時(shí)鐘信號(底部)。

 

分析嵌入式時(shí)鐘上的抖動(dòng)

 

在大多數情況下，嵌入式時(shí)鐘系統中的發(fā)射機和接收機都不能通過(guò)引腳接入基準時(shí)鐘或恢復的時(shí)鐘，但我們仍能分析它。為了把時(shí)鐘與系統的其他方面分開(kāi)，我們可以分析重復的測試碼型：固定數量的0，后面跟著(zhù)相同數量的1，如01010。交替碼型的優(yōu)點(diǎn)是可以去除與位序列有關(guān)的抖動(dòng)，也就是DDJ (數據相關(guān)抖動(dòng))。

 

從數據中恢復時(shí)鐘，使得接收機能夠追蹤低頻抖動(dòng)。低于CR帶寬的抖動(dòng)會(huì )同時(shí)出現在數據和時(shí)鐘上，確定分片器樣點(diǎn)位置。在分片器的定時(shí)擁有的抖動(dòng)幅度和相位與信號相同時(shí)，該抖動(dòng)不會(huì )導致錯誤。

 

另一方面，高于CR帶寬的頻率上的抖動(dòng)可能會(huì )導致錯誤。CR帶寬由標準指定，其通常由黃金PLL設置(即fd/1667)。為分析相關(guān)抖動(dòng)頻率，示波器必須捕獲足夠的時(shí)間，包含時(shí)鐘的最低頻率成分。MSO6B在軟件中仿真時(shí)鐘恢復，可以自行配置，也可以從標準指定的PLL列表中選擇。

 

功率完整性問(wèn)題

 

圖5顯示了低的和不同的時(shí)鐘恢復方式的影響，頂部是恒定時(shí)鐘CR，底部是二類(lèi)PLL，從左到右是TIE頻譜、眼圖和波形。周期性抖動(dòng)在頻譜中顯示為雜散信號，隨機性抖動(dòng)顯示為噪底。

 

圖5. TIE頻譜、眼圖和波形，頂部是恒定時(shí)鐘CR，底部是二類(lèi)PLL。

 

在圖6頂行中，恒定時(shí)鐘頻率的抖動(dòng)幅度和相位與數據抖動(dòng)差異很大。結果是眼圖和波形的信號完整性差，導致高BER。在底部，二類(lèi)PLL恢復的時(shí)鐘的低頻抖動(dòng)與數據相同，在CR帶寬內的頻率上有效過(guò)濾了隨機性抖動(dòng)和周期性抖動(dòng)。結果，眼圖和波形擁有良好的信號完整性和低BER。即使是二類(lèi)PLL的時(shí)鐘，TIE頻譜中的雜散信號也表明存在周期性抖動(dòng)。再次對比手邊的雜散信號頻率，我們可以檢查系統設計中是否有任何器件在這些頻率上有EMI輻射，從而找到問(wèn)題。

 

遺憾的是，解決周期性抖動(dòng)問(wèn)題，通常要遠比在電路中找到對應的振蕩器復雜。在沒(méi)有明顯的周期性抖動(dòng)來(lái)源時(shí)，我們必須分析系統的功率完整性。電源軌道紋波經(jīng)常會(huì )導致周期性抖動(dòng)，有時(shí)還會(huì )導致隨機性抖動(dòng)。

 

抖動(dòng)和配電網(wǎng)絡(luò )

 

PDN的工作是保持恒壓及為每個(gè)有源器件提供足夠的電流。它影響著(zhù)每個(gè)要素的性能，不管是有源還是無(wú)源。PDN包括整個(gè)系統，而不只是VRM (穩壓器模塊)和內部芯片配電，而是包括每個(gè)互連、軌跡、通路、連接器、電容器、封裝、引腳和球柵。其性能取決于SERDES特點(diǎn)及系統整體有效的串聯(lián)阻抗、ESR、ESC和ESL (有效串聯(lián)電阻、電容和電感)。

 

紋波對隨機性抖動(dòng)/周期性抖動(dòng)的影響

 

電源軌道噪聲通常稱(chēng)為紋波，一般在幾毫伏。在幾GHz頻率的電源軌道上準確測量幾mV噪聲，要求使用高DC阻抗的高帶寬探頭，其在高頻下作為50 Ω傳輸線(xiàn)操作。TPR1000和TPR4000電源軌道探頭就是專(zhuān)為這一目的設計的。在選配6系列B MSO數字功率管理(6-DPM)分析包后，您可以在多條電源軌跡上自動(dòng)進(jìn)行功率分析，該分析包可以方便地進(jìn)行關(guān)鍵抖動(dòng)測量(TIE, RJ, DJ, PJ)。

 

開(kāi)關(guān)式電源調節電源軌道和回路(即“地面”)之間的電壓，在低耗散開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間連續切換，通過(guò)改變開(kāi)/關(guān)占空比，實(shí)現恒壓。通過(guò)避免高耗散狀態(tài)，它們浪費的功率要遠遠低于線(xiàn)性電源。遺憾的是，驅動(dòng)開(kāi)關(guān)單元的開(kāi)/關(guān)脈寬模式可能會(huì )感應“開(kāi)關(guān)噪聲”，導致周期性抖動(dòng)。

 

開(kāi)關(guān)以固定頻率發(fā)生，應記錄在VRM產(chǎn)品技術(shù)資料中。如圖6左上方所示，如果紋波頻譜及緊下方的TIE頻譜在開(kāi)關(guān)頻率上都有雜散信號，那么我們知道其來(lái)源，可以處理設計。注意圖6中紅色標記處的大的重疊雜散信號。TIE頻譜右面的TIE直方圖有簽名正弦曲線(xiàn)抖動(dòng)分布 (馬蹄鐵形)，在一個(gè)頻率上有周期性抖動(dòng)。

 

圖6. 左上方Spectrum View頻譜視圖中的電源軌道紋波。

 

電源可能會(huì )引入隨機性噪聲，導致隨機性抖動(dòng)。電源軌道隨機性噪聲在圖7表現為左上方Spectrum View頻譜視圖的噪底。在這個(gè)實(shí)例中，功率紋波引起的隨機性噪聲很低，隨機性抖動(dòng)很小，約為0.84 ps。

 

周期性抖動(dòng)和地面彈跳

 

在邏輯跳變過(guò)程中，發(fā)射機和接收機為PDN提供電流，或從PDN接收電流。當多個(gè)信號在不同電平之間同時(shí)切換時(shí)，它們可能會(huì )沉積電荷或從電源軌道和/或地平面中移除大量的電荷。短期引入電荷密度會(huì )改變本應在導體中作為公共接地的電壓。得到的電壓變化稱(chēng)為地面彈跳，也可以稱(chēng)為同時(shí)開(kāi)關(guān)噪聲(SSN)。

 

先闡明幾點(diǎn)：第一，這里所說(shuō)的“地面”，指的是回路希望的公共基準電壓，其通常定義為0 V；第二，“同時(shí)”指的是在上升/下降時(shí)間重疊時(shí)，在這個(gè)時(shí)間間隔內多個(gè)元器件同時(shí)提供或接收電荷。

 

SSN在時(shí)域中看上去是隨機的，但在頻域中看上去不是隨機的。數據信號由許多頻率成分組成，包括基礎頻率或內奎斯特頻率，可能多達兩個(gè)更高諧波，外加來(lái)自連續的完全相同的位的子諧波。同時(shí)開(kāi)關(guān)可能發(fā)生在任何頻率上。因此，SSN是周期性噪聲，有許多低幅度雜散信號，可能會(huì )導致周期性抖動(dòng)。為了確認周期性抖動(dòng)是由SSN導致的，對比圖7左上方的電源軌道頻譜與緊下方的TIE頻譜。在兩個(gè)頻譜中，高幅度雜散信號都出現在相同的頻率上，表明周期性抖動(dòng)主要源于SSN。

 

圖7. (a)電源軌道紋波頻譜和 (b) TIE/抖動(dòng)頻譜。

 

小結

 

信號完整性和功率完整性是一個(gè)反饋回路。網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)要素、每條軌跡、通路、連接器、引腳、封裝等，都會(huì )影響PDN阻抗和每條通道的阻抗，每個(gè)有源器件都會(huì )改變電源軌道和地平面的電壓。眼圖可能告訴我們與信號完整性有關(guān)的許多東西，但幾乎不能幫助我們確定具體問(wèn)題。通過(guò)分析TIE分布，我們可以把抖動(dòng)分成不同的成分，了解問(wèn)題出在哪兒。隨機性抖動(dòng)高，通常意味著(zhù)時(shí)鐘有噪聲，但也表明電源有隨機性噪聲。

 

周期性抖動(dòng)可能表明時(shí)鐘有問(wèn)題，電源有開(kāi)關(guān)噪聲，或存在地面彈跳/SSN。對比電源軌道紋波頻譜與TIE頻譜，可以分兩步隔離問(wèn)題。TIE頻譜中有雜散信號，但在電源軌道頻譜中沒(méi)有任何對應的雜散信號，表示時(shí)鐘有問(wèn)題。在兩個(gè)頻譜的相同頻率上有一個(gè)或兩個(gè)雜散信號，表明存在電源開(kāi)關(guān)噪聲。兩個(gè)頻譜都有大量的雜散信號，表明SSN有問(wèn)題。不管是哪種情況，進(jìn)行抖動(dòng)和功率綜合分析都能隔離很多棘手的問(wèn)題。

 

信號完整性和功率完整性通常被視為不同的兩個(gè)學(xué)科，只有同時(shí)了解這兩者，才能找到與高抖動(dòng)有關(guān)的問(wèn)題。MSO6B提供了必要的工具，在簡(jiǎn)便易用的觸摸屏環(huán)境中把這兩個(gè)學(xué)科結合在一起。

 

 

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