使用混合訊號示波器查詢和診斷功率完整性問題導致的抖動

序列資料線上的抖動和電源軌道分析

在測試中透過分析抖動後,通常我們會直接分析漏洞的根本原因,否則就會分析電源軌道。我們通常會同時在時域和頻域中分析抖動和功率。透過對比TIE頻譜中的PJ( 週期性抖動 ) 頻率與功率紋波頻譜中的雜散訊號, 我們可以快速準確地識別 PDN(配電網路)引起的訊號問題。

抖動是相對於系統時鐘測量的。採用嵌入式時鐘的系統,也就是從資料跳變中恢復時鐘,會降低低頻抖動, 但必須使用能夠模擬精密時鐘恢復方式的示波器來分析這些系統。如圖1所示,MSO6B系列 ( 混合訊號 示波器 ) 既有使用者可程式設計的時鐘恢復方式,又有許多標準指定的時鐘恢復方式。

使用混合訊號示波器查詢和診斷功率完整性問題導致的抖動

圖 1

圖 1: 泰克6系列B混合訊號示波器上的抖動摘要。

除抖動和功率完整性功能外,MSO6B系列的高頻寬和低噪聲使其特別適合進行除錯工作;5 系列MSO提供的功能與6系列 MSO相同,但測量指標不同。

本應用指南

● 介紹了訊號完整性(特別是抖動與功率完整性之間的關係

● 簡要回顧了抖動測量和術語,包括眼圖和抖動分解

● 涵蓋了時鐘上的隨機性抖動和週期性抖動,介 紹了週期性抖動與功率完整性的關係

● 介紹了功率完整性的噪聲來源,特別是可能在 序列資料線上引起抖動的噪聲

● 舉例說明了紋波對電源軌道的影響,其會在時 鐘上引起抖動

在本應用指南中,我們將說明怎樣把抖動和功率完整性分析融合到強大的工具中,來除錯SERDES、 電路、網路和系統。本應用指南使用 MSO6B 系列, 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) 選項和高階抖動分析 (DJA)。雖然我們以 MSO6B 系列為例,但 5 系列 MSO也提供了相同的測量功能。

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圖 2

圖 2: 眼圖,頂部是模板測試,底部是對應的波形。

訊號完整性和功率完整性對誤差的影響

數字誤差是由抖動和噪聲引起的。噪聲是一種廣義上的概念,指訊號幅度變化。抖動是位跳變的定時相對於資料速率時鐘的變化,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換引起的。 噪聲到抖動轉換會引發串擾、EMI ( 電磁干擾 )、隨機性噪聲等問題。

訊號完整性分析集中在發射機、基準時鐘、通道和接收機的 BER ( 誤位元速率 ) 效能上。功率完整性分析集中在 PDN 提供恆壓電源軌道和低阻抗迴路的能力上。 訊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,如晶片封裝、引腳、軌跡、通路、聯結器,都會影響 PDN 的阻抗,進而影響提供的功率質量。

除錯訊號完整性問題要先從眼圖開始

硬體除錯可能要先從眼圖分析開始。眼圖由相對於時鐘的多個重疊的波形組成,如圖2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訊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訊號完整性。在 MSO6B 系列上,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,透過模板測試並不能保證系統在允許的最大 BER ( 一般來說 BER ≤ 1E-12) 以下工作。

抖動分析

不管我們是否透過模板測試,如果訊號完整性仍存在問題,那麼我們就要執行抖動分析。圖3把抖動分成不同的成分和子成分,圖4顯示了抖動摘要測量,包括浴缸圖、眼圖、TIE 頻譜和直方圖、抖動測量結果和波形。

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圖 3

圖 3: 把抖動劃分成不同的成分。

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圖 4

圖 4: 抖動摘要截圖,從左上開始順時針方向:浴缸圖,眼圖,TIE 頻譜,抖動分析結果,波形,TIE 直方圖。

在劃分抖動時,首先要把 TIE 分佈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 進一步劃分成與資料中的位序列有關的抖動—DDJ ( 資料相關抖動 ),以及與其無關的抖動, 如 PJ ( 週期性抖動 )。

如果眼圖交點分佈寬,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,可能源於訊號路徑中的阻抗不匹配,但眼圖分析在查詢眼圖閉合根本原因時幾乎沒有什麼幫助。在配備選配的高階抖動分析 (DJA) 包時,MSO6B 系列可以測量多種抖動型別,找到硬體漏洞,包括: TIE,RJ,DJ,DDJ,PJ,TJ ( 總抖動 ),EH ( 眼高 ), EW ( 眼寬 ),眼高,眼低。表1列出了不同的抖動型別及導致抖動的原因例項。

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表 1

表 1: MSO6B 系列上執行的抖動測量及常見原因例項。

時鐘上的隨機性抖動和週期性抖動

時鐘設定發射機中的位跳變定時及接收機中的分片器定時。分散式時鐘為相關元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散式時鐘。

在嵌入式時鐘系統中,我們不能直接觀測時鐘訊號。 振盪器整合在發射機晶片中,接收機從資料中恢復時鐘訊號。CR( 時鐘恢復 ) 電路使用 PLL( 鎖相環 )、 DLL( 延遲鎖定環路 ) 或類似技術從資料跳變中提取資料速率時鐘。嵌入式時鐘較分散式時鐘有多種優勢: 第一,它們不要求額外的軌跡完成分佈;第二,它們 會過濾低頻抖動。

時鐘噪聲作為隨機性抖動和 / 或週期性抖動傳播到信 號上。如果資料速率時鐘上的隨機性抖動太高,那麼時鐘相噪可能會引發問題。儘管相噪在時鐘上不可避 免,但如果觀察到有大量的週期性抖動,則表明出現了問題。

分析分散式時鐘上的抖動

由於分散式時鐘系統中的示波器探頭可以接入時鐘, 所以我們可以在MSO6B 系列的Spectrum View 頻譜檢視中分析時鐘。諧振應該銳利、窄,沒有諧波雜散訊號。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,並且白噪聲過高,那麼這種諧振則是由於電子器件有噪聲、電阻器件或電子器件過熱引起的。雜散訊號會引起週期性抖動,可能是由於振動和 EMI引起的,其可能來自PDN,後面我們將進一步說明。

圖5所示的時鐘頻譜和波形擁有乾淨銳利的諧振,但有許多雜散訊號,約比諧振低 50 dB,在時域中會看到其影響。雜散訊號在資料訊號中可能會導致週期性抖動,但藉助手邊的雜散訊號頻率,我們通常能夠找到問題,只需檢查系統設計中的振盪器或開關電路是否會在這些頻率產生EMI 輻射。

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圖 5

分析嵌入式時鐘上的抖動

在大多數情況下,嵌入式時鐘系統中的發射機和接收 機都不能透過引腳接入基準時鐘或恢復的時鐘,但我 們仍能分析它。為了把時鐘與系統的其他方面分開,我們可以分析重 復的測試碼型:固定數量的 0,後面跟著相同數量的 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 ( 資料相關抖動 )。

從資料中恢復時鐘,使得接收機能夠追蹤低頻抖動。 低於 CR 頻寬的抖動會同時出現在資料和時鐘上,確定分片器樣點位置。在分片器的定時擁有的抖動幅度 和相位與訊號相同時,該抖動不會導致錯誤。

另一方面,高於 CR 頻寬的頻率上的抖動可能會導致 錯誤。CR 頻寬由標準指定,其通常由黃金 PLL 設定 ( 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 系列在軟體中仿 真時鐘恢復,您可以自行配置,也可以從標準指定的 PLL 列表中選擇。

功率完整性問題

圖6顯示了低的和不同的時鐘恢復方式的影響,頂部是恆定時鐘 CR,底部是二類 PLL,從左到右是 TIE 頻譜、 眼圖和波形。週期性抖動在頻譜中顯示為雜散訊號,隨機性抖動顯示為噪底。

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圖 6

圖 6: TIE 頻譜、眼圖和波形,頂部是恆定時鐘 CR,底部是二類 PLL。注意對低頻抖動、進而對訊號完整性的影響。

在圖6頂行中,恆定時鐘頻率的抖動幅度和相位與資料抖動差異很大。結果是眼圖和波形的訊號完整性差, 導致高 BER。在底部,二類 PLL 恢復的時鐘的低頻抖動與資料相同,在CR頻寬內的頻率上有效過濾了隨機性抖動和週期性抖動。結果,眼圖和波形擁有良好的訊號完整性和低 BER。

即使是二類 PLL的時鐘,TIE 頻譜中的雜散訊號也表明存在週期性抖動。再次對比手邊的雜散訊號頻率, 我們可以檢查系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。

遺憾的是,解決週期性抖動問題,通常要遠比在電路中找到對應的振盪器複雜。在沒有明顯的週期性抖動來源時,我們必須分析系統的功率完整性。電源軌道紋波經常會導致週期性抖動,有時還會導致隨機性抖動。

抖動和配電網路

PDN 的工作是保持恆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效能,不管是有源還是無源。 PDN 包括整個系統,而不只是VRM ( 穩壓器模組 ) 和內部晶片配電,而是包括每個互連、軌跡、通路、聯結器、 電容器、封裝、引腳和球柵。其效能取決於SERDES 特點及系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 / 週期性抖動的影響

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 阻抗的高頻寬探頭,其在高頻下作為 50W 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 MSO6B 系列數字功率 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迴路 ( 即“地面”) 之間的電壓,在低耗散開關狀態之間連續切換,透過改變開 / 關佔空比,實現恆壓。透過避免高耗散狀態,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”, 導致週期性抖動。

開關以固定頻率發生,應記錄在 VRM 產品技術資料中。 如圖7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訊號,那麼我們知道其來源, 可以處理設計。注意圖7中紅色標記處的大的重疊雜 散訊號。TIE 頻譜右面的 TIE 直方圖有簽名正弦曲線 抖動分佈 ( 馬蹄鐵形 ),在一個頻率上有周期性抖動。

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圖 7

圖 7: 左上方 Spectrum View 頻譜檢視中的電源軌道紋波,緊下方是TIE 頻譜,還有訊號和電源軌道波形及 TIE 直方圖。

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 頻譜檢視的噪底。在這個例項中,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。

週期性抖動和地面彈跳

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。當多個訊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)。

我們先闡明幾點:第一,我們所說的“地面”,指的是迴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。

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。資料訊號由許多頻率成分組成,包括基礎頻率或內奎斯特頻率,可能多達兩個更高諧波,外加 來自連續的完全相同的位的子諧波。同時開關可能發生在任何頻率上。因此,SSN 是週期性噪聲,有許多低幅度雜散訊號,可能會導致週期性抖動。

為了確認週期性抖動是由 SSN 導致的,我們對比一下圖8左上方的電源軌道頻譜與緊下方的 TIE 頻譜。在 兩個頻譜中,高幅度雜散訊號都出現在相同的頻率上,表明週期性抖動主要源於SSN。

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圖 8

圖 8: (a) 電源軌道紋波頻譜和 (b) TIE/ 抖動頻譜。

小結

訊號完整性和功率完整性是一個反饋迴路。網路中的每個要素、每條軌跡、通路、聯結器、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訊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。透過分析 TIE 分佈, 我們可以把抖動分成不同的成分,瞭解問題出在哪兒。 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。

週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 頻譜中有雜散訊號, 但在電源軌道頻譜中沒有任何對應的雜散訊號,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訊號,表明存在電源開關噪聲。兩個頻譜都有大量的雜散訊號,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。

訊號完整性和功率完整性通常被視為不同的兩個學科,但我們已經看到,只有同時瞭解這兩者,才能找到與高抖動有關的問題。幸運的是,MSO6B 系列提供了必要的工具,在簡便易用的觸控式螢幕環境中把這兩個學科結合在一起。

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