【MSO6B測試新體驗系列】之一：MSO6B專治抖動！查找和診斷功率完整性問題導致的抖動

作者：泰克科技

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換引起的。噪聲到抖動轉換會引發(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(zhí)行的抖動測量及常見原因實例。

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。

信號完整性。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

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合在一起。