【導(dǎo)讀】分析抖動(dòng)，可以直達(dá)漏洞的根本原因。我們通常會(huì)同時(shí)在時(shí)域和頻域中分析抖動(dòng)和功率。通過對(duì)比TIE頻譜中的PJ (周期性抖動(dòng))頻率與功率紋波頻譜中的雜散信號(hào)，我們可以快速準(zhǔn)確地識(shí)別PDN（配電網(wǎng)絡(luò)）引起的信號(hào)問題。
抖動(dòng)是相對(duì)于系統(tǒng)時(shí)鐘測(cè)量的。采用嵌入式時(shí)鐘的系統(tǒng)，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(fù)方式的示波器來分析這些系統(tǒng)。6系列增強(qiáng)型混合信號(hào)示波器MSO6B既有用戶可編程的時(shí)鐘恢復(fù)方式，又有標(biāo)準(zhǔn)指定的時(shí)鐘恢復(fù)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(diào)試工作。
本文使用MSO6B來演示抖動(dòng)和電源軌道測(cè)量，因?yàn)槠湟鸬脑肼暤停貏e適合這些測(cè)量。該示波器配有數(shù)字功率管理(DPM)選項(xiàng)和高級(jí)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(cè)量功能。
信號(hào)完整性和功率完整性對(duì)誤差的影響
數(shù)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(hào)幅度變化。抖動(dòng)是位跳變的定時(shí)相對(duì)于數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換引起的。噪聲到抖動(dòng)轉(zhuǎn)換會(huì)引發(fā)串?dāng)_、EMI (電磁干擾)、隨機(jī)性噪聲等問題。
信號(hào)完整性分析集中在發(fā)射機(jī)、基準(zhǔn)時(shí)鐘、通道和接收機(jī)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(hào)完整性和功率完整性有著廣泛的相關(guān)性。PDN可能會(huì)導(dǎo)致噪聲和抖動(dòng)。電路設(shè)計(jì)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(diào)試信號(hào)完整性問題要先從眼圖開始
硬件調(diào)試可能要先從眼圖分析開始。眼圖由相對(duì)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。眼圖張開很寬，則對(duì)應(yīng)BER低。執(zhí)行模板測(cè)試是測(cè)量信號(hào)質(zhì)量的一種簡(jiǎn)便方式。
某些標(biāo)準(zhǔn)指定了一個(gè)模板，可以簡(jiǎn)單地評(píng)估被測(cè)器件上的信號(hào)完整性。在MSO6B上，可以從基于標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試并不能保證系統(tǒng)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(cè)試，底部是對(duì)應(yīng)的波形。
抖動(dòng)分析
不管我們是否通過模板測(cè)試，如果信號(hào)完整性仍存在問題，那么我們就要執(zhí)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(cè)量，從左上開始順時(shí)針方向包括：浴缸圖、眼圖、TIE頻譜和直方圖、抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果和波形。
在劃分抖動(dòng)時(shí)，首先要把TIE分布分成隨機(jī)性成分和確定性成分，也就是RJ (隨機(jī)性抖動(dòng))和DJ (確定性抖動(dòng))。DJ進(jìn)一步劃分成與數(shù)據(jù)中的位序列有關(guān)的抖動(dòng)—DDJ (數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng))，以及與其無關(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(jī)性的。如果眼圖表現(xiàn)為由許多近乎不同的線組成，那么表明眼圖是DDJ，可能源于信號(hào)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)幾乎沒有什么幫助。在配備選配的高級(jí)抖動(dòng)分析(DJA)包時(shí)，MSO6B可以測(cè)量多種抖動(dòng)類型，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)類型及導(dǎo)致抖動(dòng)的原因?qū)嵗?/div>
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(zhí)行的抖動(dòng)測(cè)量及常見原因?qū)嵗?/div>
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(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題，只需檢查系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的振蕩器或開關(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，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，從而找到問題。
遺憾的是，解決周期性抖動(dòng)問題，通常要遠(yuǎn)比在電路中找到對(duì)應(yīng)的振蕩器復(fù)雜。在沒有明顯的周期性抖動(dòng)來源時(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(shí)現(xiàn)恒壓。通過避免高耗散狀態(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)開關(guān)單元的開/關(guān)脈寬模式可能會(huì)感應(yīng)“開關(guān)噪聲”，導(dǎo)致周期性抖動(dòng)。
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(hào)，那么我們知道其來源，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。得到的電壓變化稱為地面彈跳，也可以稱為同時(shí)開關(guān)噪聲(SSN)。
先闡明幾點(diǎn)：第一，這里所說的“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，外加來自連續(xù)的完全相同的位的子諧波。同時(shí)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(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題。通過分析TIE分布，我們可以把抖動(dòng)分成不同的成分，了解問題出在哪兒。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)鐘有問題，電源有開關(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，可以分兩步隔離問題。TIE頻譜中有雜散信號(hào)，但在電源軌道頻譜中沒有任何對(duì)應(yīng)的雜散信號(hào)，表示時(shí)鐘有問題。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)，表明存在電源開關(guān)噪聲。兩個(gè)頻譜都有大量的雜散信號(hào)，表明SSN有問題。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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