尋找電源軌噪聲和抖動之間的關(guān)系

要找出位錯誤的根本原因，抖動分析是最好的起點，但在某些情況下，電源軌分析可以幫助找到真正的根本原因。為了深入了解位錯誤，我們在時域和頻域中查看抖動和電源軌噪聲。將 TIE 頻譜中的 PJ（周期性抖動）頻率與功率紋波頻譜中的雜散頻率進行比較，是識別 PDN（配電網(wǎng)絡）引起的信號完整性問題的一種快速而準確的方法。

SI 和 PI 導致錯誤

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(shù)語。抖動是位轉(zhuǎn)換時序相對于數(shù)據(jù)速率時鐘的變化，即所謂的時間間隔誤差。抖動是由相位噪聲和幅度噪聲-抖動轉(zhuǎn)換引起的。噪聲抖動引入了串擾、EMI（電磁干擾）和隨機噪聲等問題。

信號完整性分析側(cè)重于發(fā)送器、參考時鐘、信道和接收器在 BER（誤碼率）方面的性能。電源完整性側(cè)重于 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 會導致噪聲和抖動。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，從而影響供電的質(zhì)量。

調(diào)試 SI 問題從眼圖開始

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：帶有模板測試的眼圖（頂部）和對應的波形（底部）。

交叉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。睜大眼圖應對應于低 BER。如果 BER 太高，下一步是執(zhí)行抖動分析。圖 2 將抖動分解為各個分量和子分量，圖 3 顯示了抖動匯總測量，包括浴盆圖、眼圖、TIE 頻譜和直方圖、抖動測量結(jié)果和波形。

圖 2：抖動分解為其組成部分。

圖 3：抖動摘要屏幕截圖，從左上角順時針方向：浴缸圖、眼圖、TIE 頻譜、抖動分析結(jié)果、波形、TIE 直方圖。

抖動的分解始于將 TIE 分布分離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(guān)的抖動——DDJ（數(shù)據(jù)相關(guān)抖動）——和不相關(guān)的抖動，例如 PJ（周期性抖動）。

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表示 DDJ，這可能是由于信號路徑中的阻抗不匹配造成的。需要更詳細的測量來識別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 的常見原因，有時也是 RJ。

表 1：帶有常見原因示例的抖動測量。

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。它會影響每個元素的性能，無論是主動還是被動。PDN 包括整個系統(tǒng)，不僅是 DC-DC 轉(zhuǎn)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。在 GHz 頻率下準確測量電源軌上的 mV 噪聲需要具有高直流阻抗的高帶寬探頭，在高頻下充當 50 Ω 傳輸線。電源軌探頭專門為此目的而設計。

開關(guān)模式電源通過在低耗散開和關(guān)狀態(tài)之間連續(xù)切換來調(diào)節(jié)電源軌和返回路徑（也稱為“接地”）之間的電壓。不幸的是，驅(qū)動開關(guān)元件的脈沖會引起“開關(guān)噪聲”并導致 PJ。

開關(guān)發(fā)生在固定頻率，應記錄在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中。如果紋波頻譜（圖 4 左上角）和 TIE 頻譜（就在其下方）在開關(guān)頻率或開關(guān)頻率諧波處都有雜散，那么我們就知道來源并可以解決設計問題。請注意圖 4 中紅色標記處的大重合雜散。 TIE 頻譜右側(cè)的 TIE 直方圖具有標志性的正弦抖動分布（馬蹄形），PJ 在一個頻率。

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

電源會引入有助于 RJ 的隨機噪聲。電源軌隨機噪聲顯示為圖 4 左上角頻譜視圖圖的本底噪聲。 RJ 是根據(jù) TIE 頻譜的本底噪聲計算得出的。在本例中，電源紋波引起的隨機噪聲非常低，RJ 很小，約為 0.84 ps。

睡衣和地面彈跳

在邏輯轉(zhuǎn)換期間，發(fā)送器和接收器從 PDN 提供或吸收電流。當多個信號同時在電平之間切換時，它們可以在電源軌和/或接地平面上沉積或移除大量電荷。電荷密度的短期引入改變了導體兩端的公共接地電壓。由此產(chǎn)生的電壓變化稱為接地反彈，或等效地稱為同步開關(guān)噪聲 (SSN)。

在繼續(xù)之前，我們應該澄清一些事情。首先，“接地”指的是返回路徑所需的公共參考電壓，通常定義為 0 V。其次，“同時”意味著組件在其上升/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，可能多達兩個高次諧波，加上來自連續(xù)相同位的次諧波。可以在這些頻率中的任何一個頻率上同時進行切換。因此，SSN 是具有許多可導致 PJ 的低幅度雜散的周期性噪聲。

要確認 PJ 是由 SSN 引起的，請將圖 5 左上角的電源軌頻譜與其正下方的 TIE 頻譜進行比較。在兩個頻譜中出現(xiàn)在相同頻率的高幅度雜散表明 SSN 有很大的 PJ 貢獻。

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)絡的每個元素、每個走線、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，每個有源組件都可以改變電源軌和接地層的電壓。

眼圖可以告訴我們很多關(guān)于信號完整性的信息，但它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提供問題所在線索的組件。高 RJ 通常意味著嘈雜的時鐘，但它也可以表示來自電源的隨機噪聲。

PJ 可以指示有故障的時鐘、電源開關(guān)噪聲或地彈/SSN。將電源軌紋波頻譜與 TIE 頻譜進行比較可以通過兩個步驟來隔離問題。TIE 頻譜中的雜散在電源軌頻譜中沒有任何相應的雜散指示時鐘；兩個頻譜中相同頻率的一個或兩個雜散表示電源開關(guān)噪聲；并且兩個頻譜共有的大量雜散表明 SSN。在這些情況中的每一種情況下，結(jié)合抖動和功率分析可以隔離其他困難的問題。

信號完整性和電源完整性通常被視為獨立的學科，但我們已經(jīng)看到，發(fā)現(xiàn)與高抖動相關(guān)的問題需要同時了解兩者。

審核編輯：郭婷