時鐘上的隨機性抖動和周期性抖動

 

時鐘設(shè)定發(fā)射機中的位跳變定時及接收機中的分片器定時。分布式時鐘為相關(guān)組件提供了一個常用的定時基準，可以在示波器上直觀觀察分布式時鐘。

 

在嵌入式時鐘系統(tǒng)中，我們不能直接觀測時鐘信號。振蕩器集成在發(fā)射機芯片中，接收機從數(shù)據(jù)中恢復(fù)時鐘信號。CR(時鐘恢復(fù))電路使用PLL(鎖相環(huán))、DLL(延遲鎖定環(huán)路)或類似技術(shù)從數(shù)據(jù)跳變中提取數(shù)據(jù)速率時鐘。嵌入式時鐘較分布式時鐘有多種優(yōu)勢：第一，它們不要求額外的軌跡完成分布；第二，它們會過濾低頻抖動。

 

時鐘噪聲作為隨機性抖動和/或周期性抖動傳播到信號上。如果數(shù)據(jù)速率時鐘上的隨機性抖動太高，那么時鐘相噪可能會引發(fā)問題。盡管相噪在時鐘上不可避免，但如果觀察到有大量的周期性抖動，則表明出現(xiàn)了問題。

 

分析分布式時鐘上的抖動

 

由于分布式時鐘系統(tǒng)中的示波器探頭可以接入時鐘，所以我們可以在MSO6B的Spectrum View頻譜視圖中分析時鐘。諧振應(yīng)該銳利、窄，沒有諧波雜散信號。所有諧振都有一些近載波相噪，也就是隨機性抖動的來源，但如果諧振寬且呈塊狀，并且白噪聲過高，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熱引起的。雜散信號會引起周期性抖動，可能是由于振動和EMI引起的，其可能來自PDN。

 

圖4所示的時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，在時域中會看到其影響。雜散信號在數(shù)據(jù)信號中可能會導(dǎo)致周期性抖動，但借助手邊的雜散信號頻率，我們通常能夠找到問題，只需檢查系統(tǒng)設(shè)計中的振蕩器或開關(guān)電路是否會在這些頻率產(chǎn)生EMI輻射。

 

圖4. 時鐘頻譜(頂部)和時鐘信號(底部)。

 

分析嵌入式時鐘上的抖動

 

在大多數(shù)情況下，嵌入式時鐘系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機都不能通過引腳接入基準時鐘或恢復(fù)的時鐘，但我們?nèi)阅芊治鏊?。為了把時鐘與系統(tǒng)的其他方面分開，我們可以分析重復(fù)的測試碼型：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)點是可以去除與位序列有關(guān)的抖動，也就是DDJ (數(shù)據(jù)相關(guān)抖動)。

 

從數(shù)據(jù)中恢復(fù)時鐘，使得接收機能夠追蹤低頻抖動。低于CR帶寬的抖動會同時出現(xiàn)在數(shù)據(jù)和時鐘上，確定分片器樣點位置。在分片器的定時擁有的抖動幅度和相位與信號相同時，該抖動不會導(dǎo)致錯誤。

 

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

 

功率完整性問題

 

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

 

圖5. TIE頻譜、眼圖和波形，頂部是恒定時鐘CR，底部是二類PLL。

 

在圖6頂行中，恒定時鐘頻率的抖動幅度和相位與數(shù)據(jù)抖動差異很大。結(jié)果是眼圖和波形的信號完整性差，導(dǎo)致高BER。在底部，二類PLL恢復(fù)的時鐘的低頻抖動與數(shù)據(jù)相同，在CR帶寬內(nèi)的頻率上有效過濾了隨機性抖動和周期性抖動。結(jié)果，眼圖和波形擁有良好的信號完整性和低BER。即使是二類PLL的時鐘，TIE頻譜中的雜散信號也表明存在周期性抖動。再次對比手邊的雜散信號頻率，我們可以檢查系統(tǒng)設(shè)計中是否有任何器件在這些頻率上有EMI輻射，從而找到問題。

 

遺憾的是，解決周期性抖動問題，通常要遠比在電路中找到對應(yīng)的振蕩器復(fù)雜。在沒有明顯的周期性抖動來源時，我們必須分析系統(tǒng)的功率完整性。電源軌道紋波經(jīng)常會導(dǎo)致周期性抖動，有時還會導(dǎo)致隨機性抖動。

 

抖動和配電網(wǎng)絡(luò)

 

PDN的工作是保持恒壓及為每個有源器件提供足夠的電流。它影響著每個要素的性能，不管是有源還是無源。PDN包括整個系統(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)。

 

紋波對隨機性抖動/周期性抖動的影響

 

電源軌道噪聲通常稱為紋波，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傳輸線操作。TPR1000和TPR4000電源軌道探頭就是專為這一目的設(shè)計的。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進行功率分析，該分析包可以方便地進行關(guān)鍵抖動測量(TIE, RJ, DJ, PJ)。

 

開關(guān)式電源調(diào)節(jié)電源軌道和回路(即“地面”)之間的電壓，在低耗散開關(guān)狀態(tài)之間連續(xù)切換，通過改變開/關(guān)占空比，實現(xiàn)恒壓。通過避免高耗散狀態(tài)，它們浪費的功率要遠遠低于線性電源。遺憾的是，驅(qū)動開關(guān)單元的開/關(guān)脈寬模式可能會感應(yīng)“開關(guān)噪聲”，導(dǎo)致周期性抖動。

 

開關(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頻譜在開關(guān)頻率上都有雜散信號，那么我們知道其來源，可以處理設(shè)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抖動分布 (馬蹄鐵形)，在一個頻率上有周期性抖動。

 

圖6. 左上方Spectrum View頻譜視圖中的電源軌道紋波。

 

電源可能會引入隨機性噪聲，導(dǎo)致隨機性抖動。電源軌道隨機性噪聲在圖7表現(xiàn)為左上方Spectrum View頻譜視圖的噪底。在這個實例中，功率紋波引起的隨機性噪聲很低，隨機性抖動很小，約為0.84 ps。

 

周期性抖動和地面彈跳

 

在邏輯跳變過程中，發(fā)射機和接收機為PDN提供電流，或從PDN接收電流。當多個信號在不同電平之間同時切換時，它們可能會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。得到的電壓變化稱為地面彈跳，也可以稱為同時開關(guān)噪聲(SSN)。

 

先闡明幾點：第一，這里所說的“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”指的是在上升/下降時間重疊時，在這個時間間隔內(nèi)多個元器件同時提供或接收電荷。

 

SSN在時域中看上去是隨機的，但在頻域中看上去不是隨機的。數(shù)據(jù)信號由許多頻率成分組成，包括基礎(chǔ)頻率或內(nèi)奎斯特頻率，可能多達兩個更高諧波，外加來自連續(xù)的完全相同的位的子諧波。同時開關(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，可能會導(dǎo)致周期性抖動。為了確認周期性抖動是由SSN導(dǎo)致的，對比圖7左上方的電源軌道頻譜與緊下方的TIE頻譜。在兩個頻譜中，高幅度雜散信號都出現(xiàn)在相同的頻率上，表明周期性抖動主要源于SSN。

 

圖7. (a)電源軌道紋波頻譜和 (b) TIE/抖動頻譜。

 

小結(jié)

 

信號完整性和功率完整性是一個反饋回路。網(wǎng)絡(luò)中的每個要素、每條軌跡、通路、連接器、引腳、封裝等，都會影響PDN阻抗和每條通道的阻抗，每個有源器件都會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題。通過分析TIE分布，我們可以把抖動分成不同的成分，了解問題出在哪兒。隨機性抖動高，通常意味著時鐘有噪聲，但也表明電源有隨機性噪聲。

 

周期性抖動可能表明時鐘有問題，電源有開關(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，可以分兩步隔離問題。TIE頻譜中有雜散信號，但在電源軌道頻譜中沒有任何對應(yīng)的雜散信號，表示時鐘有問題。在兩個頻譜的相同頻率上有一個或兩個雜散信號，表明存在電源開關(guān)噪聲。兩個頻譜都有大量的雜散信號，表明SSN有問題。不管是哪種情況，進行抖動和功率綜合分析都能隔離很多棘手的問題。

 

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

 

 

推薦閱讀：