抖(dou)動(dong)是(shi)相(xiang)對(dui)於(yu)係(xi)統(tong)時(shi)鍾(zhong)測(ce)量(liang)的(de)。采(cai)用(yong)嵌(qian)入(ru)式(shi)時(shi)鍾(zhong)的(de)係(xi)統(tong)，會(hui)降(jiang)低(di)低(di)頻(pin)抖(dou)動(dong)，但(dan)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)能(neng)夠(gou)仿(fang)真(zhen)精(jing)密(mi)時(shi)鍾(zhong)恢(hui)複(fu)方(fang)式(shi)的(de)示(shi)波(bo)器(qi)來(lai)分(fen)析(xi)這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)。6係列增強型混合信號示波器MSO6B既有用戶可編程的時鍾恢複方式，又有標準指定的時鍾恢複方式。除抖動和功率完整性功能外，MSO6B高帶寬和低噪聲使其特別適合進行調試工作。

 

本文使用MSO6B來演示抖動和電源軌道測量，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)選項和高級抖動分析(DJA)。雖然我們以6係列B MSO為例
，但5係列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shu字zi誤wu差cha是shi由you抖dou動dong和he噪zao聲sheng引yin起qi的de。噪zao聲sheng是shi一yi種zhong廣guang義yi上shang的de概gai念nian，指zhi信xin號hao幅fu度du變bian化hua。抖dou動dong是shi位wei跳tiao變bian的de定ding時shi相xiang對dui於yu數shu據ju速su率lv時shi鍾zhong的de變bian化hua，也ye就jiu是shi所suo謂wei的de時shi間jian間jian隔ge誤wu差cha(TIE)。抖動是由相噪和幅度噪聲到抖動轉換引起的。噪聲到抖動轉換會引發串擾、EMI (電磁幹擾)、隨機性噪聲等問題。

 

信號完整性分析集中在發射機、基準時鍾
、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廣泛的相關性。PDN可能會導致噪聲和抖動。電路設計和各種元器件，如芯片封裝、引腳、軌跡、通路、連接器
，都會影響PDN的阻抗，進而影響提供的功率質量。

 

調試信號完整性問題要先從眼圖開始

 

硬件調試可能要先從眼圖分析開始。眼圖由相對於時鍾的多個重疊的波形組成，如圖1所示。交點的水平寬度表示抖動，眼圖頂部和底部的垂直寬度表示噪聲。眼圖張開很寬
，則對應BER低。執行模板測試是測量信號質量的一種簡便方式。

 

某些標準指定了一個模板，可以簡單地評估被測器件上的信號完整性。在MSO6B上，可以從基於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
，通過模板測試並不能保證係統在允許的最大BER (一般來說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。

 

抖動分析

 

不管我們是否通過模板測試
，如果信號完整性仍存在問題，那麼我們就要執行抖動分析。圖2把抖動分成不同的成分和子成分
，圖3顯示了抖動摘要測量，從左上開始順時針方向包括：浴缸圖、眼圖、TIE頻譜和直方圖
、抖動測量結果和波形。

 

在劃分抖動時
，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)和DJ (確定性抖動)。DJ進一步劃分成與數據中的位序列有關的抖動—DDJ (數據相關抖動)
，以及與其無關的抖動，如PJ (周期性抖動)。

 

如果眼圖交點分布寬
，那麼表明抖動是隨機性的。如果眼圖表現為由許多近乎不同的線組成
，那麼表明眼圖是DDJ
，可能源於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幾乎沒有什麼幫助。在配備選配的高級抖動分析(DJA)包時，MSO6B可以測量多種抖動類型，找到硬件漏洞，包括：TIE
，RJ，DJ

，DDJ，PJ，TJ (總抖動)
，EH (眼高)

，EW (眼寬)
，眼高
，眼低。表1列出了不同的抖動類型及導致抖動的原因實例。

 

圖2. 把抖動劃分成不同的成分。

 

圖3. 抖動摘要截屏。

 

表1. MSO6B上執行的抖動測量及常見原因實例。

 

時鍾上的隨機性抖動和周期性抖動

 

時shi鍾zhong設she定ding發fa射she機ji中zhong的de位wei跳tiao變bian定ding時shi及ji接jie收shou機ji中zhong的de分fen片pian器qi定ding時shi。分fen布bu式shi時shi鍾zhong為wei相xiang關guan組zu件jian提ti供gong了le一yi個ge常chang用yong的de定ding時shi基ji準zhun，可ke以yi在zai示shi波bo器qi上shang直zhi觀guan觀guan察cha分fen布bu式shi時shi鍾zhong。

 

在嵌入式時鍾係統中
，我們不能直接觀測時鍾信號。振蕩器集成在發射機芯片中，接收機從數據中恢複時鍾信號。CR(時鍾恢複)電路使用PLL(鎖相環)、DLL(延遲鎖定環路)或類似技術從數據跳變中提取數據速率時鍾。嵌入式時鍾較分布式時鍾有多種優勢：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。

 

時鍾噪聲作為隨機性抖動和/或huo周zhou期qi性xing抖dou動dong傳chuan播bo到dao信xin號hao上shang。如ru果guo數shu據ju速su率lv時shi鍾zhong上shang的de隨sui機ji性xing抖dou動dong太tai高gao
，那na麼me時shi鍾zhong相xiang噪zao可ke能neng會hui引yin發fa問wen題ti。盡jin管guan相xiang噪zao在zai時shi鍾zhong上shang不bu可ke避bi免mian
，但dan如ru果guo觀guan察cha到dao有you大da量liang的de周zhou期qi性xing抖dou動dong，則ze表biao明ming出chu現xian了le問wen題ti。

 

分析分布式時鍾上的抖動

 

由於分布式時鍾係統中的示波器探頭可以接入時鍾，所以我們可以在MSO6B的Spectrum View頻譜視圖中分析時鍾。諧振應該銳利、zhai，meiyouxiebozasanxinhao。suoyouxiezhendouyouyixiejinzaiboxiangzao

，yejiushisuijixingdoudongdelaiyuan，danruguoxiezhenkuanqiechengkuaizhuang，bingqiebaizaoshengguogao，namezhezhongxiezhenzeshiyouyudianziqijianyouzaosheng
、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
，可能是由於振動和EMI引起的，其可能來自PDN。

 

圖4所示的時鍾頻譜和波形擁有幹淨銳利的諧振，但有許多雜散信號，約比諧振低50dB，在zai時shi域yu中zhong會hui看kan到dao其qi影ying響xiang。雜za散san信xin號hao在zai數shu據ju信xin號hao中zhong可ke能neng會hui導dao致zhi周zhou期qi性xing抖dou動dong，但dan借jie助zhu手shou邊bian的de雜za散san信xin號hao頻pin率lv，我wo們men通tong常chang能neng夠gou找zhao到dao問wen題ti，隻zhi需xu檢jian查zha係xi統tong設she計ji中zhong的de振zhen蕩dang器qi或huo開關電路是否會在這些頻率產生EMI輻射。

 

圖4. 時鍾頻譜(頂部)和時鍾信號(底部)。

 

分析嵌入式時鍾上的抖動

 

zaidaduoshuqingkuangxia
，qianrushishizhongxitongzhongdefashejihejieshoujidoubunengtongguoyinjiaojierujizhunshizhonghuohuifudeshizhong，danwomenrengnengfenxita。weilebashizhongyuxitongdeqitafangmianfenkai，womenkeyifenxizhongfudeceshimaxing：固定數量的0，後麵跟著相同數量的1，如01010。交替碼型的優點是可以去除與位序列有關的抖動，也就是DDJ (數據相關抖動)。

 

從數據中恢複時鍾，使得接收機能夠追蹤低頻抖動。低於CR帶dai寬kuan的de抖dou動dong會hui同tong時shi出chu現xian在zai數shu據ju和he時shi鍾zhong上shang，確que定ding分fen片pian器qi樣yang點dian位wei置zhi。在zai分fen片pian器qi的de定ding時shi擁yong有you的de抖dou動dong幅fu度du和he相xiang位wei與yu信xin號hao相xiang同tong時shi，該gai抖dou動dong不bu會hui導dao致zhi錯cuo誤wu。

 

另一方麵，高於CR帶寬的頻率上的抖動可能會導致錯誤。CR帶寬由標準指定，其通常由黃金PLL設置(即fd/1667)。為分析相關抖動頻率，示波器必須捕獲足夠的時間
，包含時鍾的最低頻率成分。MSO6B在軟件中仿真時鍾恢複

，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鍾恢複方式的影響，頂部是恒定時鍾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，頂部是恒定時鍾CR，底部是二類PLL。

 

在圖6頂行中，恒定時鍾頻率的抖動幅度和相位與數據抖動差異很大。結果是眼圖和波形的信號完整性差，導致高BER。在底部，二類PLL恢複的時鍾的低頻抖動與數據相同，在CR帶寬內的頻率上有效過濾了隨機性抖動和周期性抖動。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PLL的時鍾，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，我們可以檢查係統設計中是否有任何器件在這些頻率上有EMI輻射，從而找到問題。

 

yihandeshi
，jiejuezhouqixingdoudongwenti，tongchangyaoyuanbizaidianluzhongzhaodaoduiyingdezhendangqifuza。zaimeiyoumingxiandezhouqixingdoudonglaiyuanshi
，womenbixufenxixitongdegonglvwanzhengxing。dianyuanguidaowenbojingchanghuidaozhizhouqixingdoudong
，youshihaihuidaozhisuijixingdoudong。

 

抖動和配電網絡

 

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包括整個係統
，而不隻是VRM (穩壓器模塊)和內部芯片配電，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。其性能取決於SERDES特點及係統整體有效的串聯阻抗
、ESR、ESC和ESL (有效串聯電阻、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計的。在選配6係列B MSO數字功率管理(6-DPM)分析包後，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鍵抖動測量(TIE, RJ, DJ, PJ)。

 

開關式電源調節電源軌道和回路(即“地麵”)之間的電壓，在低耗散開關狀態之間連續切換，通過改變開/關占空比，實現恒壓。通過避免高耗散狀態，它們浪費的功率要遠遠低於線性電源。遺憾的是
，驅動開關單元的開/關脈寬模式可能會感應“開關噪聲”，導致周期性抖動。

 

開關以固定頻率發生


，應記錄在VRM產品技術資料中。如圖6左上方所示，如果紋波頻譜及緊下方的TIE頻譜在開關頻率上都有雜散信號，那麼我們知道其來源，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頻譜右麵的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，導致隨機性抖動。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。

 

周期性抖動和地麵彈跳

 

在邏輯跳變過程中，發射機和接收機為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/huodipingmianzhongyichudaliangdedianhe。duanqiyinrudianhemiduhuigaibianbenyingzaidaotizhongzuoweigonggongjiedidedianya。dedaodedianyabianhuachengweidimiandantiao，yekeyichengweitongshikaiguanzaosheng(SSN)。

 

先闡明幾點：第一

，這裏所說的“地麵”
，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，在這個時間間隔內多個元器件同時提供或接收電荷。

 

SSNzaishiyuzhongkanshangqushisuijide，danzaipinyuzhongkanshangqubushisuijide。shujuxinhaoyouxuduopinlvchengfenzucheng
，baokuojichupinlvhuoneikuisitepinlv，kenengduodalianggegenggaoxiebo
，waijialaizilianxudewanquanxiangtongdeweidezixiebo。tongshikaiguankenengfashengzairenhepinlvshang。yinci，SSN是周期性噪聲
，有許多低幅度雜散信號
，可能會導致周期性抖動。為了確認周期性抖動是由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，表明周期性抖動主要源於SSN。

 

圖7. (a)電源軌道紋波頻譜和 (b) TIE/抖動頻譜。

 

小結

 

信號完整性和功率完整性是一個反饋回路。網絡中的每個要素、每條軌跡、通路、連接器、引腳、封裝等，都會影響PDN阻zu抗kang和he每mei條tiao通tong道dao的de阻zu抗kang
，每mei個ge有you源yuan器qi件jian都dou會hui改gai變bian電dian源yuan軌gui道dao和he地di平ping麵mian的de電dian壓ya。眼yan圖tu可ke能neng告gao訴su我wo們men與yu信xin號hao完wan整zheng性xing有you關guan的de許xu多duo東dong西xi，但dan幾ji乎hu不bu能neng幫bang助zhu我wo們men確que定ding具ju體ti問wen題ti。通tong過guo分fen析xiTIE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，通常意味著時鍾有噪聲，但也表明電源有隨機性噪聲。

 

周期性抖動可能表明時鍾有問題
，電源有開關噪聲，或存在地麵彈跳/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pin譜pu中zhong有you雜za散san信xin號hao，但dan在zai電dian源yuan軌gui道dao頻pin譜pu中zhong沒mei有you任ren何he對dui應ying的de雜za散san信xin號hao
，表biao示shi時shi鍾zhong有you問wen題ti。在zai兩liang個ge頻pin譜pu的de相xiang同tong頻pin率lv上shang有you一yi個ge或huo兩liang個ge雜za散san信xin號hao，表biao明ming存cun在zai電dian源yuan開kai關guan噪zao聲sheng。兩liang個ge頻pin譜pu都dou有you大da量liang的de雜za散san信xin號hao
，表biao明mingSSN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科，隻有同時了解這兩者，才能找到與高抖動有關的問題。MSO6B提供了必要的工具，在簡便易用的觸摸屏環境中把這兩個學科結合在一起。

 

 

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