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使用混合信号示波器查找和诊断功率完整性问题导致的抖动

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发表时间:2020-12-09 09:57作者:DanielQiu网址:http://www.smart-ele.com

串行数据线上的抖动和电源轨道分析

       在测试中通过分析抖动后,通常我们会直接分析漏洞的根本原因,否则就会分析电源轨道。我们通常会同时在时域和频域中分析抖动和功率。通过对比TIE频谱中的PJ( 周期性抖动 ) 频率与功率纹波频谱中的杂散信号, 我们可以快速准确地识别 PDN(配电网络)引起的信 号问题。

      抖动是相对于系统时钟测量的。采用嵌入式时钟的系统,也就是从数据跳变中恢复时钟,会降低低频抖动, 但必须使用能够仿真精密时钟恢复方式的示波器来分析这些系统。如图1所示,MSO6B系列 ( 混合信号 示波器 ) 既有用户可编程的时钟恢复方式,又有许多标准指定的时钟恢复方式。

图 1: 泰克6系列B混合信号示波器上的抖动摘要。


      除抖动和功率完整性功能外,MSO6B系列的高带宽和低噪声使其特别适合进行调试工作;5 系列MSO提供的功能与6系列 MSO相同,但测量指标不同。


本应用指南

●    介绍了信号完整性(特别是抖动与功率完整性之间的关系

●    简要回顾了抖动测量和术语,包括眼图和抖动分解

●    涵盖了时钟上的随机性抖动和周期性抖动,介 绍了周期性抖动与功率完整性的关系

●    介绍了功率完整性的噪声来源,特别是可能在 串行数据线上引起抖动的噪声

●    举例说明了纹波对电源轨道的影响,其会在时 钟上引起抖动

      在本应用指南中,我们将说明怎样把抖动和功率完整性分析融合到强大的工具中,来调试SERDES、 电路、网络和系统。本应用指南使用 MSO6B 系列, 来演示抖动和电源轨道测量,因为其引起的噪声低,特别适合这些测量。该示波器配有数字功率管理 (DPM) 选项和高级抖动分析 (DJA)。虽然我们以 MSO6B 系列为例,但 5 系列 MSO也提供了相同的测量功能。



图 2: 眼图,顶部是模板测试,底部是对应的波形。


信号完整性和功率完整性对误差的影响

      数字误差是由抖动和噪声引起的。噪声是一种广义上的概念,指信号幅度变化。抖动是位跳变的定时相对于数据速率时钟的变化,也就是所谓的时间间隔误差 (TIE)。抖动是由相噪和幅度噪声到抖动转换引起的。 噪声到抖动转换会引发串扰、EMI ( 电磁干扰 )、随机性噪声等问题。

      信号完整性分析集中在发射机、基准时钟、通道和接收机的 BER ( 误码率 ) 性能上。功率完整性分析集中在 PDN 提供恒压电源轨道和低阻抗回路的能力上。 信号完整性和功率完整性有着广泛的相关性。PDN 可能会导致噪声和抖动。电路设计和各种元器件,如芯片封装、引脚、轨迹、通路、连接器,都会影响 PDN 的阻抗,进而影响提供的功率质量。


调试信号完整性问题要先从眼图开始

      硬件调试可能要先从眼图分析开始。眼图由相对于时钟的多个重叠的波形组成,如图2所示。

交点的水平宽度表示抖动,眼图顶部和底部的垂直宽度表示噪声。眼图张开很宽,则对应BER 低。执行模板测试是测量信号质量的一种简便方式。

      某些标准指定了一个模板,可以简单地评估被测器件上的信号完整性。在 MSO6B 系列上,可以从基于标准的模板列表中选择模板,也可以以自定义的方式建立模板。

      遗憾的是,通过模板测试并不能保证系统在允许的最大 BER   (   一般来说   BER   ≤   1E-12)   以下工作。


抖动分析

      不管我们是否通过模板测试,如果信号完整性仍存在问题,那么我们就要执行抖动分析。图3把抖动分成不同的成分和子成分,图4显示了抖动摘要测量,包括浴缸图、眼图、TIE 频谱和直方图、抖动测量结果和波形。

图 3: 把抖动划分成不同的成分。


图 4: 抖动摘要截屏,从左上开始顺时针方向:浴缸图,眼图,TIE   频谱,抖动分析结果,波形,TIE 直方图。


      在划分抖动时,首先要把 TIE 分布分成随机性成分和确定性成分,也就是 RJ ( 随机性抖动 ) 和 DJ ( 确定性抖动 )。DJ 进一步划分成与数据中的位序列有关的抖动—DDJ ( 数据相关抖动 ),以及与其无关的抖动, 如 PJ ( 周期性抖动 )。

      如果眼图交点分布宽,那么表明抖动是随机性的。如果眼图表现为由许多近乎不同的线组成,那么表明眼图是 DDJ,可能源于信号路径中的阻抗不匹配,但眼图分析在查找眼图闭合根本原因时几乎没有什么帮助。在配备选配的高级抖动分析 (DJA) 包时,MSO6B 系列可以测量多种抖动类型,找到硬件漏洞,包括: TIE,RJ,DJ,DDJ,PJ,TJ ( 总抖动 ),EH ( 眼高 ), EW ( 眼宽 ),眼高,眼低。表1列出了不同的抖动类型及导致抖动的原因实例。


表 1: MSO6B 系列上执行的抖动测量及常见原因实例。


时钟上的随机性抖动和周期性抖动

       时钟设定发射机中的位跳变定时及接收机中的分片器定时。分布式时钟为相关组件提供了一个常用的定时基准,可以在示波器上直观观察分布式时钟。

      在嵌入式时钟系统中,我们不能直接观测时钟信号。 振荡器集成在发射机芯片中,接收机从数据中恢复时钟信号。CR( 时钟恢复 ) 电路使用 PLL( 锁相环 )、 DLL( 延迟锁定环路 ) 或类似技术从数据跳变中提取数据速率时钟。嵌入式时钟较分布式时钟有多种优势: 第一,它们不要求额外的轨迹完成分布;第二,它们 会过滤低频抖动。

      时钟噪声作为随机性抖动和 / 或周期性抖动传播到信 号上。如果数据速率时钟上的随机性抖动太高,那么时钟相噪可能会引发问题。尽管相噪在时钟上不可避 免,但如果观察到有大量的周期性抖动,则表明出现了问题。


分析分布式时钟上的抖动

      由于分布式时钟系统中的示波器探头可以接入时钟, 所以我们可以在MSO6B 系列的Spectrum View 频谱视图中分析时钟。谐振应该锐利、窄,没有谐波杂散信号。所有谐振都有一些近载波相噪,也就是随机性抖动的来源,但如果谐振宽且呈块状,并且白噪声过高,那么这种谐振则是由于电子器件有噪声、电阻器件或电子器件过热引起的。杂散信号会引起周期性抖动,可能是由于振动和 EMI引起的,其可能来自PDN,后面我们将进一步说明。

      图5所示的时钟频谱和波形拥有干净锐利的谐振,但有许多杂散信号,约比谐振低 50 dB,在时域中会看到其影响。杂散信号在数据信号中可能会导致周期性抖动,但借助手边的杂散信号频率,我们通常能够找到问题,只需检查系统设计中的振荡器或开关电路是否会在这些频率产生EMI 辐射。


分析嵌入式时钟上的抖动

      在大多数情况下,嵌入式时钟系统中的发射机和接收 机都不能通过引脚接入基准时钟或恢复的时钟,但我 们仍能分析它。为了把时钟与系统的其他方面分开,我们可以分析重 复的测试码型:固定数量的 0,后面跟着相同数量的 1, 如 01010。交替码型的优点是可以去除与位序列有关的抖动,也就是 DDJ ( 数据相关抖动 )。


从数据中恢复时钟,使得接收机能够追踪低频抖动。 低于 CR 带宽的抖动会同时出现在数据和时钟上,确定分片器样点位置。在分片器的定时拥有的抖动幅度 和相位与信号相同时,该抖动不会导致错误。


另一方面,高于 CR 带宽的频率上的抖动可能会导致 错误。CR 带宽由标准指定,其通常由黄金 PLL 设置 ( 即 fd/1667)。为分析相关抖动频率,示波器必须捕获足够的时间, 包含时钟的最低频率成分。MSO6B 系列在软件中仿 真时钟恢复,您可以自行配置,也可以从标准指定的 PLL 列表中选择。


功率完整性问题

      图6显示了低的和不同的时钟恢复方式的影响,顶部是恒定时钟 CR,底部是二类 PLL,从左到右是 TIE 频谱、 眼图和波形。周期性抖动在频谱中显示为杂散信号,随机性抖动显示为噪底。

图 6: TIE   频谱、眼图和波形,顶部是恒定时钟   CR,底部是二类   PLL。注意对低频抖动、进而对信号完整性的影响。


      在图6顶行中,恒定时钟频率的抖动幅度和相位与数据抖动差异很大。结果是眼图和波形的信号完整性差, 导致高 BER。在底部,二类 PLL 恢复的时钟的低频抖动与数据相同,在CR带宽内的频率上有效过滤了随机性抖动和周期性抖动。结果,眼图和波形拥有良好的信号完整性和低 BER。

      即使是二类 PLL的时钟,TIE 频谱中的杂散信号也表明存在周期性抖动。再次对比手边的杂散信号频率, 我们可以检查系统设计中是否有任何器件在这些频率上有 EMI 辐射,从而找到问题。

      遗憾的是,解决周期性抖动问题,通常要远比在电路中找到对应的振荡器复杂。在没有明显的周期性抖动来源时,我们必须分析系统的功率完整性。电源轨道纹波经常会导致周期性抖动,有时还会导致随机性抖动。


抖动和配电网络

      PDN 的工作是保持恒压及为每个有源器件提供足够的电流。它影响着每个要素的性能,不管是有源还是无源。 PDN 包括整个系统,而不只是VRM ( 稳压器模块 ) 和内部芯片配电,而是包括每个互连、轨迹、通路、连接器、 电容器、封装、引脚和球栅。其性能取决于SERDES 特点及系统整体有效的串联阻抗、ESR、ESC 和 ESL ( 有 效串联电阻、电容和电感 )。


纹波对随机性抖动 / 周期性抖动的影响

      电源轨道噪声通常称为纹波,一般在几毫伏。在几 GHz 频率的电源轨道上准确测量几 mV 噪声,要求使用高 DC 阻抗的高带宽探头,其在高频下作为 50W 传输线操作。TPR1000 和 TPR4000 电源轨道探头就是专为这一目的设计的。在选配 MSO6B 系列数字功率 管理 (6-DPM)分析包后,您可以在多条电源轨迹上自动进行功率分析,该分析包可以方便地进行关键抖动测量 (TIE, RJ, DJ, PJ)。

      开关式电源调节电源轨道和回路 ( 即“地面”) 之间的电压,在低耗散开关状态之间连续切换,通过改变开 / 关占空比,实现恒压。通过避免高耗散状态,它们浪费的功率要远远低于线性电源。遗憾的是,驱动 开关单元的开 / 关脉宽模式可能会感应“开关噪声”, 导致周期性抖动。

      开关以固定频率发生,应记录在 VRM 产品技术资料中。 如图7左上方所示,如果纹波频谱及紧下方的 TIE 频谱在开关频率上都有杂散信号,那么我们知道其来源, 可以处理设计。注意图7中红色标记处的大的重叠杂 散信号。TIE 频谱右面的 TIE 直方图有签名正弦曲线 抖动分布 ( 马蹄铁形 ),在一个频率上有周期性抖动。

图 7: 左上方   Spectrum View 频谱视图中的电源轨道纹波,紧下方是TIE 频谱,还有信号和电源轨道波形及 TIE 直方图。


      电源可能会引入随机性噪声,导致随机性抖动。电源轨道随机性噪声在图 7 表现为左上方 Spectrum   View 频谱视图的噪底。在这个实例中,功率纹波引起的随机性噪声很低,随机性抖动很小,约为0.84   ps。


周期性抖动和地面弹跳

      在逻辑跳变过程中,发射机和接收机为 PDN 提供电流, 或从 PDN 接收电流。当多个信号在不同电平之间同时切换时,它们可能会沉积电荷或从电源轨道和 / 或地平面中移除大量的电荷。短期引入电荷密度会改变本应在导体中作为公共接地的电压。得到的电压变化称为地面弹跳,也可以称为同时开关噪声 (SSN)。

      我们先阐明几点:第一,我们所说的“地面”,指的是回路希望的公共基准电压,其通常定义为 0 V;第二, “同时”指的是在上升 / 下降时间重叠时,在这个时间间隔内多个元器件同时提供或接收电荷。

      SSN 在时域中看上去是随机的,但在频域中看上去不是随机的。数据信号由许多频率成分组成,包括基础频率或内奎斯特频率,可能多达两个更高谐波,外加 来自连续的完全相同的位的子谐波。同时开关可能发生在任何频率上。因此,SSN 是周期性噪声,有许多低幅度杂散信号,可能会导致周期性抖动。

      为了确认周期性抖动是由 SSN 导致的,我们对比一下图8左上方的电源轨道频谱与紧下方的 TIE 频谱。在 两个频谱中,高幅度杂散信号都出现在相同的频率上,表明周期性抖动主要源于SSN。

图 8: (a) 电源轨道纹波频谱和   (b)   TIE/   抖动频谱。


小结

      信号完整性和功率完整性是一个反馈回路。网络中的每个要素、每条轨迹、通路、连接器、引脚、封装等, 都会影响 PDN 阻抗和每条通道的阻抗,每个有源器件都会改变电源轨道和地平面的电压。

      眼图可能告诉我们与信号完整性有关的许多东西,但几乎不能帮助我们确定具体问题。通过分析 TIE 分布, 我们可以把抖动分成不同的成分,了解问题出在哪儿。 随机性抖动高,通常意味着时钟有噪声,但也表明电源有随机性噪声。

      周期性抖动可能表明时钟有问题,电源有开关噪声, 或存在地面弹跳 /SSN。对比电源轨道纹波频谱与TIE频谱,可以分两步隔离问题。TIE 频谱中有杂散信号, 但在电源轨道频谱中没有任何对应的杂散信号,表示时钟有问题。在两个频谱的相同频率上有一个或两个杂散信号,表明存在电源开关噪声。两个频谱都有大量的杂散信号,表明 SSN 有问题。不管是哪种情况, 进行抖动和功率综合分析都能隔离很多棘手的问题。

      信号完整性和功率完整性通常被视为不同的两个学科,但我们已经看到,只有同时了解这两者,才能找到与高抖动有关的问题。幸运的是,MSO6B 系列提供了必要的工具,在简便易用的触摸屏环境中把这两个学科结合在一起。



 
 
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