時(shí)鐘上的隨機(jī)性抖動(dòng)和周期性抖動(dòng)

 

時(shí)鐘設(shè)定發(fā)射機(jī)中的位跳變定時(shí)及接收機(jī)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(zhǔn)，可以在示波器上直觀觀察分布式時(shí)鐘。

 

在嵌入式時(shí)鐘系統(tǒng)中，我們不能直接觀測(cè)時(shí)鐘信號(hào)。振蕩器集成在發(fā)射機(jī)芯片中，接收機(jī)從數(shù)據(jù)中恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)。CR(時(shí)鐘恢復(fù))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(shù)據(jù)跳變中提取數(shù)據(jù)速率時(shí)鐘。嵌入式時(shí)鐘較分布式時(shí)鐘有多種優(yōu)勢(shì)：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(jī)性抖動(dòng)和/或周期性抖動(dòng)傳播到信號(hào)上。如果數(shù)據(jù)速率時(shí)鐘上的隨機(jī)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，但如果觀察到有大量的周期性抖動(dòng)，則表明出現(xiàn)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(tǒng)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(yīng)該銳利、窄，沒(méi)有諧波雜散信號(hào)。所有諧振都有一些近載波相噪，也就是隨機(jī)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(hào)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(hào)，約比諧振低50dB，在時(shí)域中會(huì)看到其影響。雜散信號(hào)在數(shù)據(jù)信號(hào)中可能會(huì)導(dǎo)致周期性抖動(dòng)，但借助手邊的雜散信號(hào)頻率，我們通常能夠找到問(wèn)題，只需檢查系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)(底部)。

 

分析嵌入式時(shí)鐘上的抖動(dòng)

 

在大多數(shù)情況下，嵌入式時(shí)鐘系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都不能通過(guò)引腳接入基準(zhǔn)時(shí)鐘或恢復(fù)的時(shí)鐘，但我們?nèi)阅芊治鏊榱税褧r(shí)鐘與系統(tǒng)的其他方面分開(kāi)，我們可以分析重復(fù)的測(cè)試碼型：固定數(shù)量的0，后面跟著相同數(shù)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(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng))。

 

從數(shù)據(jù)中恢復(fù)時(shí)鐘，使得接收機(jī)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(xiàn)在數(shù)據(jù)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(hào)相同時(shí)，該抖動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。

 

另一方面，高于CR帶寬的頻率上的抖動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。CR帶寬由標(biāo)準(zhǔn)指定，其通常由黃金PLL設(shè)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(fù)，可以自行配置，也可以從標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(hào)，隨機(jī)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(shù)據(jù)抖動(dòng)差異很大。結(jié)果是眼圖和波形的信號(hào)完整性差，導(dǎo)致高BER。在底部，二類(lèi)PLL恢復(fù)的時(shí)鐘的低頻抖動(dòng)與數(shù)據(jù)相同，在CR帶寬內(nèi)的頻率上有效過(guò)濾了隨機(jī)性抖動(dòng)和周期性抖動(dòng)。結(jié)果，眼圖和波形擁有良好的信號(hào)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(hào)也表明存在周期性抖動(dòng)。再次對(duì)比手邊的雜散信號(hào)頻率，我們可以檢查系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yuǎn)比在電路中找到對(duì)應(yīng)的振蕩器復(fù)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(tǒng)的功率完整性。電源軌道紋波經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致周期性抖動(dòng)，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)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(tǒng)，而不只是VRM (穩(wěn)壓器模塊)和內(nèi)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(tǒng)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(duì)隨機(jī)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(zhǔn)確測(cè)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傳輸線操作。TPR1000和TPR4000電源軌道探頭就是專(zhuān)為這一目的設(shè)計(jì)的。在選配6系列B MSO數(shù)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(cè)量(TIE, RJ, DJ, PJ)。

 

開(kāi)關(guān)式電源調(diào)節(jié)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(xù)切換，通過(guò)改變開(kāi)/關(guān)占空比，實(shí)現(xiàn)恒壓。通過(guò)避免高耗散狀態(tài)，它們浪費(fèi)的功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于線性電源。遺憾的是，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)單元的開(kāi)/關(guān)脈寬模式可能會(huì)感應(yīng)“開(kāi)關(guān)噪聲”，導(dǎo)致周期性抖動(dòng)。

 

開(kāi)關(guān)以固定頻率發(fā)生，應(yīng)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(hào)，那么我們知道其來(lái)源，可以處理設(shè)計(jì)。注意圖6中紅色標(biāo)記處的大的重疊雜散信號(hào)。TIE頻譜右面的TIE直方圖有簽名正弦曲線抖動(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(jī)性噪聲，導(dǎo)致隨機(jī)性抖動(dòng)。電源軌道隨機(jī)性噪聲在圖7表現(xiàn)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(jī)性噪聲很低，隨機(jī)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(jī)和接收機(jī)為PDN提供電流，或從PDN接收電流。當(dāng)多個(gè)信號(hào)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(yīng)在導(dǎo)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(zhǔn)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(nèi)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(jī)的，但在頻域中看上去不是隨機(jī)的。數(shù)據(jù)信號(hào)由許多頻率成分組成，包括基礎(chǔ)頻率或內(nèi)奎斯特頻率，可能多達(dá)兩個(gè)更高諧波，外加來(lái)自連續(xù)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(hào)，可能會(huì)導(dǎo)致周期性抖動(dòng)。為了確認(rèn)周期性抖動(dòng)是由SSN導(dǎo)致的，對(duì)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(hào)都出現(xiàn)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(jié)

 

信號(hào)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(hào)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(jī)性抖動(dòng)高，通常意味著時(shí)鐘有噪聲，但也表明電源有隨機(jī)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(duì)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(hào)，但在電源軌道頻譜中沒(méi)有任何對(duì)應(yīng)的雜散信號(hào)，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(hào)，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(hào)，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(hào)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(jié)合在一起。

 

 

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