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

 

shuziwuchashiyoudoudonghezaoshengyinqide。zaoshengshiyizhongguangyishangdegainian

，zhixinhaofudubianhua。doudongshiweitiaobiandedingshixiangduiyushujusulvshizhongdebianhua，yejiushisuoweideshijianjiangewucha(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

 

shizhongshedingfashejizhongdeweitiaobiandingshijijieshoujizhongdefenpianqidingshi。fenbushishizhongweixiangguanzujiantigongleyigechangyongdedingshijizhun，keyizaishiboqishangzhiguanguanchafenbushishizhong。

 

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、窄zhai

，沒mei有you諧xie波bo雜za散san信xin號hao。所suo有you諧xie振zhen都dou有you一yi些xie近jin載zai波bo相xiang噪zao，也ye就jiu是shi隨sui機ji性xing抖dou動dong的de來lai源yuan，但dan如ru果guo諧xie振zhen寬kuan且qie呈cheng塊kuai狀zhuang
，並bing且qie白bai噪zao聲sheng過guo高gao，那na麼me這zhe種zhong諧xie振zhen則ze是shi由you於yu電dian子zi器qi件jian有you噪zao聲sheng、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

 

在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)
，嵌(qian)入(ru)式(shi)時(shi)鍾(zhong)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)發(fa)射(she)機(ji)和(he)接(jie)收(shou)機(ji)都(dou)不(bu)能(neng)通(tong)過(guo)引(yin)腳(jiao)接(jie)入(ru)基(ji)準(zhun)時(shi)鍾(zhong)或(huo)恢(hui)複(fu)的(de)時(shi)鍾(zhong)，但(dan)我(wo)們(men)仍(reng)能(neng)分(fen)析(xi)它(ta)。為(wei)了(le)把(ba)時(shi)鍾(zhong)與(yu)係(xi)統(tong)的(de)其(qi)他(ta)方(fang)麵(mian)分(fen)開(kai)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)分(fen)析(xi)重(zhong)複(fu)的(de)測(ce)試(shi)碼(ma)型(xing)：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。

 

遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)，解(jie)決(jue)周(zhou)期(qi)性(xing)抖(dou)動(dong)問(wen)題(ti)，通(tong)常(chang)要(yao)遠(yuan)比(bi)在(zai)電(dian)路(lu)中(zhong)找(zhao)到(dao)對(dui)應(ying)的(de)振(zhen)蕩(dang)器(qi)複(fu)雜(za)。在(zai)沒(mei)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)周(zhou)期(qi)性(xing)抖(dou)動(dong)來(lai)源(yuan)時(shi)
，我(wo)們(men)必(bi)須(xu)分(fen)析(xi)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)率(lv)完(wan)整(zheng)性(xing)。電(dian)源(yuan)軌(gui)道(dao)紋(wen)波(bo)經(jing)常(chang)會(hui)導(dao)致(zhi)周(zhou)期(qi)性(xing)抖(dou)動(dong)，有(you)時(shi)還(hai)會(hui)導(dao)致(zhi)隨(sui)機(ji)性(xing)抖(dou)動(dong)。

 

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。TIEpinpuzhongyouzasanxinhao，danzaidianyuanguidaopinpuzhongmeiyourenheduiyingdezasanxinhao
，biaoshishizhongyouwenti。zailianggepinpudexiangtongpinlvshangyouyigehuolianggezasanxinhao，biaomingcunzaidianyuankaiguanzaosheng。lianggepinpudouyoudaliangdezasanxinhao，biaomingSSN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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