如何通過電源軌分析理解電源軌噪聲與抖動

了找出誤碼的根本原因，抖動分析是最好的起點，但是在某些情況下，電源軌分析可以幫助找出真正的根本原因。為了深入了解比特錯誤，我們在時域和頻域都研究了抖動和電源軌噪聲。比較TIE頻譜中的PJ（周期性抖動）頻率和電源紋波頻譜中的雜散，是識別由PDN（配電網(wǎng)絡）引起的信號完整性問題的快速而準確的方法。

SI和PI助長錯誤

數(shù)字錯誤是由抖動和噪聲引起的。噪聲是信號幅度變化的廣義術語。抖動是相對于數(shù)據(jù)速率時鐘的比特轉換時序變化，即所謂的時間間隔誤差。抖動是由相位噪聲和幅度噪聲到抖動的轉換引起的。抖動噪聲帶來了串擾，EMI（電磁干擾）和隨機噪聲的問題。

信號完整性分析著眼于BER（誤碼率），著眼于發(fā)送器，參考時鐘，通道和接收器的性能。電源完整性著眼于PDN提供恒定電壓電源軌和低阻抗返回路徑的能力。SI和PI具有廣泛的相互依賴性。PDN會引起噪聲和抖動。電路設計和組件（芯片封裝，引腳，走線，過孔，連接器）會影響PDN的阻抗，進而影響供電質量。

從眼圖開始調(diào)試SI問題

硬件調(diào)試可以從眼圖分析開始。眼圖由相對于時鐘的重疊波形組成，圖1。

圖1：眼圖，帶遮罩測試，頂部，對應的波形，底部。

交叉點的水平寬度表示抖動，眼睛的頂部和底部的垂直寬度表示噪聲。睜大眼睛應該對應于低BER。如果BER太高，下一步就是執(zhí)行抖動分析。圖2將抖動的分解圖映射到其組件和子組件，圖3顯示了“抖動摘要”測量值，包括浴盆圖，眼圖，TIE頻譜和直方圖，抖動測量結果和波形。

圖2：抖動分解為其各個組成部分。

圖3：抖動摘要屏幕快照，從左上方順時針方向：浴缸圖，眼圖，TIE頻譜，抖動分析結果，波形，TIE直方圖。

抖動的分解開始于將TIE分布分為其隨機和確定性分量RJ（隨機抖動）和DJ（確定性抖動）。DJ進一步分為與數(shù)據(jù)中的比特序列相關的抖動-DDJ（與數(shù)據(jù)有關的抖動）和與PJ（周期性抖動）等不相關的抖動。

眼圖上的廣泛交叉可以指示RJ?？雌饋碛稍S多幾乎不同的線組成的眼睛可能表示DDJ，可能是由于信號路徑中的阻抗不匹配所致。需要更詳細的測量來確定可以指示硬件錯誤的抖動類型：TIE，RJ，DJ，DDJ，PJ，TJ（總抖動），EH（眼高），EW（眼寬），眼高和眼低的。表1列出了不同類型的抖動和一些原因。電源軌紋波是PJ有時甚至是RJ的常見原因。

表1：抖動測量以及常見原因示例。

抖動和配電網(wǎng)絡

PDN的工作是維持恒定電壓并為系統(tǒng)中的組件提供足夠的電流。它會影響主動或被動每個元素的性能。PDN包括整個系統(tǒng)，不僅包括DC-DC轉換器和內(nèi)部芯片電源分配，還包括每個互連，走線，過孔，連接器，電容器，封裝，引腳和球柵。

紋波對隨機和周期性抖動的影響

電源軌噪聲通常稱為紋波，通常為幾毫伏。要在GHz頻率上準確測量電源軌上的mV噪聲，就需要具有高DC阻抗的高帶寬探頭，該探頭在高頻下充當50Ω傳輸線。為此專門設計了電源導軌探頭。

開關電源通過在低功耗??導通和關斷狀態(tài)之間連續(xù)切換來調(diào)節(jié)電源軌和返回路徑（又稱“接地”）之間的電壓。不幸的是，驅動開關元件的脈沖會引起“開關噪聲”并引起PJ。

開關以固定頻率發(fā)生，應將其記錄在DC-DC轉換器的數(shù)據(jù)手冊中。如果圖4左上方的紋波頻譜和緊靠其下方的TIE頻譜在開關頻率或開關頻率的諧波處都有雜散，那么我們就知道了源頭并可以解決設計問題。請注意，圖4中紅色標記處出現(xiàn)大的重合雜散。TIE頻譜右邊的TIE直方圖在一個頻率上具有正弦抖動分布（馬蹄形）PJ。

圖4：頻譜視圖左上方的電源軌紋波，以及其下方的TIE頻譜，以及信號和電源軌波形以及TIE直方圖。

電源會引入隨機噪聲，從而導致RJ。電源軌隨機噪聲顯示為圖4左上方“頻譜視圖”圖的本底噪聲。RJ由TIE頻譜的本底噪聲計算得出。在此示例中，由于電源紋波引起的隨機噪聲非常低，RJ很小，約為0.84 ps。

PJ和地面彈跳

在邏輯轉換期間，發(fā)送器和接收器從PDN獲取或吸收電流。當多個信號同時在兩個電平之間切換時，它們可以從電源導軌和/或接地板上沉積或去除大量電荷。短期引入電荷密度會改變導體兩端共同接地的電壓。所產(chǎn)生的電壓變化稱為接地反彈或等效的同時開關噪聲（SSN）。

在繼續(xù)之前，我們應該澄清兩件事。首先，“接地”是指返回路徑的所需公共參考電壓，通常將其定義為0V。第二，“同時”是指組件在其上升/下降時間間隔內(nèi)產(chǎn)生或吸收電荷。下降時間重疊。

SSN在時域中看起來是隨機的，但在頻域中卻不是。數(shù)據(jù)信號由許多頻率分量組成-基頻或奈奎斯特頻率，也許多達兩個高次諧波，再加上連續(xù)相同位的次諧波。這些頻率中的任何一個都可能發(fā)生同時切換。因此，SSN是具有許多低振幅雜散的周期性噪聲，會引起PJ。

為了確認PJ是由SSN引起的，請將圖5左上方的電源軌頻譜與正下方的TIE頻譜進行比較。在兩個頻譜中以相同頻率出現(xiàn)的高振幅雜散表明SSN的PJ貢獻很大。

圖5：（a）電源軌紋波頻譜和（b）TIE /抖動頻譜。

概括

信號完整性和電源完整性是一個反饋回路。網(wǎng)絡中的每個元素，每條走線，過孔，連接器，引腳，封裝等都會影響PDN阻抗和每個通道的阻抗，并且每個有源組件都會改變電源軌和接地層的電壓。

眼圖可以告訴我們很多有關信號完整性的信息，但很少幫助我們識別特定問題。對TIE分布的分析將抖動分解為一些組件，這些組件提供了問題所在的線索。高RJ通常意味著時鐘嘈雜，但也可能指示電源產(chǎn)生隨機噪聲。

PJ可能指示時鐘故障，電源開關噪聲或接地反彈/ SSN。將電源軌紋波頻譜與TIE頻譜進行比較可以分兩步解決問題。TIE頻譜中的雜散表示電源軌頻譜中沒有任何相應的雜散，表示時鐘。兩個頻譜中相同頻率的一個或兩個雜散表示電源開關噪聲；兩個光譜共有的大量雜散表示SSN。在每種情況下，將抖動和功率分析結合起來可以解決其他困難的問題。

信號完整性和電源完整性通常被認為是不同的學科，但是我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)與高抖動相關的問題需要對兩者都進行理解。

編輯：hfy