【導讀】分析抖動,可以直達漏洞的根本原因。我們通常會同時在時域和頻域中分析抖動和功率。通過對比TIE頻譜中的PJ (周期性抖動)頻率與功率紋波頻譜中的雜散信號,我們可以快速準確地識別PDN(配電網(wǎng)絡)引起的信號問題。
抖動是相對于系統(tǒng)時鐘測量的。采用嵌入式時鐘的系統(tǒng),會降低低頻抖動,但必須使用能夠仿真精密時鐘恢復方式的示波器來分析這些系統(tǒng)。6系列增強型混合信號示波器MSO6B既有用戶可編程的時鐘恢復方式,又有標準指定的時鐘恢復方式。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(diào)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(shù)字功率管理(DPM)選項和高級抖動分析(DJA)。雖然我們以6系列B MSO為例,但5系列MSO也提供了相同的測量功能。
信號完整性和功率完整性對誤差的影響
數(shù)字誤差是由抖動和噪聲引起的。噪聲是一種廣義上的概念,指信號幅度變化。抖動是位跳變的定時相對于數(shù)據(jù)速率時鐘的變化,也就是所謂的時間間隔誤差(TIE)。抖動是由相噪和幅度噪聲到抖動轉(zhuǎn)換引起的。噪聲到抖動轉(zhuǎn)換會引發(fā)串擾、EMI (電磁干擾)、隨機性噪聲等問題。
信號完整性分析集中在發(fā)射機、基準時鐘、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(zhì)量。
調(diào)試信號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。眼圖由相對于時鐘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(zhí)行模板測試是測量信號質(zhì)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,可以從基于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,那么我們就要執(zhí)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(jié)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(shù)據(jù)中的位序列有關的抖動—DDJ (數(shù)據(jù)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,那么表明抖動是隨機性的。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么幫助。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?qū)嵗?/div>
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(zhí)行的抖動測量及常見原因?qū)嵗?/div>
時鐘上的隨機性抖動和周期性抖動
時鐘設定發(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)中恢復時鐘信號。CR(時鐘恢復)電路使用PLL(鎖相環(huán))、DLL(延遲鎖定環(huán)路)或類似技術從數(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)設計中的振蕩器或開關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的抖動,也就是DDJ (數(shù)據(jù)相關抖動)。
從數(shù)據(jù)中恢復時鐘,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,該抖動不會導致錯誤。
另一方面,高于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,包含時鐘的最低頻率成分。MSO6B在軟件中仿真時鐘恢復,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,導致高BER。在底部,二類PLL恢復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的振蕩器復雜。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)常會導致周期性抖動,有時還會導致隨機性抖動。
抖動和配電網(wǎng)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鍵抖動測量(TIE, RJ, DJ, PJ)。
開關式電源調(diào)節(jié)電源軌道和回路(即“地面”)之間的電壓,在低耗散開關狀態(tài)之間連續(xù)切換,通過改變開/關占空比,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(fā)生,應記錄在VRM產(chǎn)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,那么我們知道其來源,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在導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(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科,只有同時了解這兩者,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(huán)境中把這兩個學科結(jié)合在一起。
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