數(shù)字產(chǎn)品中電源軌噪聲如何影響系統(tǒng)中時鐘抖動

本文將介紹：關于數(shù)字產(chǎn)品中電源軌噪聲如何影響數(shù)字系統(tǒng)中時鐘抖動。

背景

在數(shù)字電路中，一串二進制的信號流是通過電壓（或電流）的波形來表示。然而，自然界的信號實際上都是模擬的，而非數(shù)字的，所有的信號都受噪音、扭曲和損失影響。信號完整性考慮的問題主要有振鈴（ringing）、串擾（crosstalk）、接地反彈、扭曲(skew)、信號損失和電源供應中的噪聲。--摘至于維基百科（信號完整性）。

精準的周期性采樣時鐘是確保數(shù)字系統(tǒng)進行正確通信的前提。如果時鐘信號發(fā)生了偏移，將引起傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)字信號流發(fā)生變化，比如造成時延、誤碼等等。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，隨著時鐘速率邁入GHz級，首要目標是保證信號完整無失真地從源端傳送到接收端，往往電源完整性不佳就會影響時鐘信號，進而引起信號完整性問題。

高速數(shù)字產(chǎn)品設計中不單單包含信號完整性問題，還包含電源完整性問題，而對數(shù)字系統(tǒng)中的電源軌噪聲進行評估，將直接反映電源完整性的好壞，本文將介紹數(shù)字產(chǎn)品中電源軌噪聲如何影響系統(tǒng)中時鐘抖動。

數(shù)字產(chǎn)品中電源軌噪聲與時鐘抖動是關聯(lián)的

數(shù)字電路中的直流電壓也就是電源軌波形往往看起來像是純凈平直，然而當我們通過示波器放大后發(fā)現(xiàn)其實不是，電源軌上是存在交流波動成分的。

除了由開關電源引入的波動外，電源軌也會受耦合噪聲的干擾，當PDN上發(fā)生振鈴時，會影響芯片輸出的時鐘信號發(fā)生偏移，時鐘信號上升沿發(fā)生的偏移就是我們俗稱的抖動Jitter。

數(shù)字系統(tǒng)中的芯片通常由CMOS集成電路組成，其開關閾值會受電源軌的噪聲影響而波動，進而引起了系統(tǒng)輸出時鐘或數(shù)據(jù)的抖動。

由下圖可以看出，電源軌噪聲波動的大小將對抖動大小帶來影響，電源軌波動越小引起時鐘信號的抖動Jitter也會越小。

電源軌噪聲與時鐘信號斜率的比值決定了抖動的大小，電源軌噪聲與抖動的關系可由以下公式描述：

如果要對抖動的影響進行驗證，就要準確測量電源軌噪聲。但是在如今的電子產(chǎn)品中對電源完整性進行準確評估充滿挑戰(zhàn)。以最為常見的數(shù)字電子產(chǎn)品手機為例，隨著手機發(fā)展的演變，體積越來越小，而內(nèi)部IC集成度越來越高，電流密度越來越大，而功耗卻在降低，從而要求輸入電壓也在降低(從典型的5V、3V減小至1V)，甚至電壓容限也在降低(10%減小到5%，甚至是1%)。這就會給電源軌測量造成挑戰(zhàn)。

R&S RT-ZPR電源軌探頭是應對這一挑戰(zhàn)的最佳選擇，它不僅具備極低的系統(tǒng)噪聲（衰減比1:1），也具備2GHz/4GHz高帶寬范圍，可以測量更高頻率范圍的電源軌噪聲。

以實際測量為例：使用RT-ZPR電源軌探頭和傳統(tǒng)RT-ZP1X紋波探頭測試直流電壓Vpp對比：

38 MHz帶寬1:1無源探頭RT-ZP1X會遺漏高頻成分，不能顯示尖峰的存在，從而低估Vpp測量值。但使用同樣衰減比而帶寬高達2 GHz的電源軌探頭RT-ZPR20可以捕獲并測量高頻瞬態(tài)，還能擁有極低的噪聲，不難看出針對高頻瞬變需要高帶寬電源軌探頭才能測量出正確的Vpp值。

綜上所述，電源軌信號并非是完全平直的，它會受到噪聲干擾，進而影響系統(tǒng)時鐘的穩(wěn)定。當今數(shù)字產(chǎn)品中電源軌電壓越來越低，同時要求的容限也越來越嚴苛，從而對測量電源軌信號造成挑戰(zhàn)。羅德與施瓦茨的電源軌探頭RT-ZPR充分應對這些挑戰(zhàn)，可以進行準確測量 (高帶寬，高靈敏度，低噪聲和大偏置補償)。下一期我們將用一個測量案例繼續(xù)說明電源軌噪聲對數(shù)字產(chǎn)品抖動的影響。

羅德與施瓦茨業(yè)務涵蓋測試測量、技術系統(tǒng)、網(wǎng)絡與網(wǎng)絡安全，致力于打造一個更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發(fā)展尖端技術，不斷突破技術界限。公司領先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術領導力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務。