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      利用混合信号示波器查找和诊断电源完整性问题导致的抖动

      2020-10-13 泰克科技 阅读:
      本文使用MSO6B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。该示波器配有数字电源管理(DPM)选项和高级抖动分析(DJA)。虽然我们以6系列B MSO为例,但5系列MSO也提供了相同的测量功能。

      分析抖动,可以直达漏洞的根本原因。我们通常会同时在时域和频域中分析抖动和电源。通过对比TIE频谱中的PJ (周期性抖动)频率与电源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。PFLednc

      抖动是相对于系统时钟测量的。采用嵌入式时钟的系统,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。6系列增强型混合信号示波器MSO6B既有用户可编程的时钟恢复方式,又有标准指定的时钟恢复方式。除抖动和电源完整性功能外,MSO6B高带宽和低噪声使其特别适合进行调试工作。PFLednc

      本文使用MSO6B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。该示波器配有数字电源管理(DPM)选项和高级抖动分析(DJA)。虽然我们以6系列B MSO为例,但5系列MSO也提供了相同的测量功能。PFLednc

      信号完整性和电源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。PFLednc

      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。电源完整性分析集中在PDN提供恒压电源轨道和低阻抗回路的能力上。信号完整性和电源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,进而影响提供的电源质量。PFLednc

      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1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。PFLednc

      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。PFLednc

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      图1. 眼图,顶部是模板测试,底部是对应的波形。PFLednc

      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2把抖动分成不同的成分和子成分,图3显示了抖动摘要测量,从左上开始顺时针方向包括:浴缸图、眼图、TIE频谱和直方图、抖动测量结果和波形。PFLednc

      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)。PFLednc

      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。PFLednc

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      图2. 把抖动划分成不同的成分。PFLednc

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      图3. 抖动摘要截屏。PFLednc

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      表1. MSO6B上执行的抖动测量及常见原因实例。PFLednc

      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。PFLednc

      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。PFLednc

      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。PFLednc

      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。PFLednc

      图4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50dB,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。PFLednc

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      图4. 时钟频谱(顶部)和时钟信号(底部)。PFLednc

      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)。PFLednc

      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。PFLednc

      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在软件中仿真时钟恢复,可以自行配置,也可以从标准指定的PLL列表中选择。PFLednc

      电源完整性问题

      图5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。PFLednc

      PFLednc

      图5. TIE频谱、眼图和波形,顶部是恒定时钟CR,底部是二类PLL。PFLednc

      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。PFLednc

      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电源完整性。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。PFLednc

      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)。PFLednc

      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50 Ω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6系列B MSO数字电源管理(6-DPM)分析包后,您可以在多条电源轨迹上自动进行电源分析,该分析包可以方便地进行关键抖动测量(TIE, RJ, DJ, PJ)。PFLednc

      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,它们浪费的电能要远低于线性电源。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。PFLednc

      开关以固定频率发生,应记录在VRM产品技术资料中。如图6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6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。PFLednc

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      图6. 左上方Spectrum View频谱视图中的电源轨道纹波。PFLednc

      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,电源纹波引起的随机性噪声很低,随机性抖动很小,约为0.84 ps。PFLednc

      周期性抖动和地弹

      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)。PFLednc

      先阐明几点:第一,这里所说的“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。PFLednc

      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,对比图7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。PFLednc

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      图7. (a)电源轨道纹波频谱和 (b) TIE/抖动频谱。PFLednc

      小结

      信号完整性和电源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。PFLednc

      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,进行抖动和电源综合分析都能隔离很多棘手的问题。PFLednc

      信号完整性和电源完整性通常被视为不同的两个学科,只有同时了解这两者,才能找到与高抖动有关的问题。MSO6B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。PFLednc

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