【導讀】分析抖動，可以直達漏洞的根本原因。我們通常會同時在時域和頻域中分析抖動和功率。通過對比TIE頻譜中的PJ (周期性抖動)頻率與功率紋波頻譜中的雜散信號，我們可以快速準確地識別PDN（配電網絡）引起的信號問題。
抖動是相對于系統時鐘測量的。采用嵌入式時鐘的系統，會降低低頻抖動，但必須使用能夠仿真精密時鐘恢復方式的示波器來分析這些系統。6系列增強型混合信號示波器MSO6B既有用戶可編程的時鐘恢復方式，又有標準指定的時鐘恢復方式。除抖動和功率完整性功能外，MSO6B高帶寬和低噪聲使其特別適合進行調試工作。
本文使用MSO6B來演示抖動和電源軌道測量，因為其引起的噪聲低，特別適合這些測量。該示波器配有數字功率管理(DPM)選項和高級抖動分析(DJA)。雖然我們以6系列B MSO為例，但5系列MSO也提供了相同的測量功能。
信號完整性和功率完整性對誤差的影響
數字誤差是由抖動和噪聲引起的。噪聲是一種廣義上的概念，指信號幅度變化。抖動是位跳變的定時相對于數據速率時鐘的變化，也就是所謂的時間間隔誤差(TIE)。抖動是由相噪和幅度噪聲到抖動轉換引起的。噪聲到抖動轉換會引發串擾、EMI (電磁干擾)、隨機性噪聲等問題。
信號完整性分析集中在發射機、基準時鐘、通道和接收機的BER (誤碼率)性能上。功率完整性分析集中在PDN提供恒壓電源軌道和低阻抗回路的能力上。信號完整性和功率完整性有著廣泛的相關性。PDN可能會導致噪聲和抖動。電路設計和各種元器件，如芯片封裝、引腳、軌跡、通路、連接器，都會影響PDN的阻抗，進而影響提供的功率質量。
調試信號完整性問題要先從眼圖開始
硬件調試可能要先從眼圖分析開始。眼圖由相對于時鐘的多個重疊的波形組成，如圖1所示。交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。眼圖張開很寬，則對應BER低。執行模板測試是測量信號質量的一種簡便方式。
某些標準指定了一個模板，可以簡單地評估被測器件上的信號完整性。在MSO6B上，可以從基于標準的模板列表中選擇模板，也可以以自定義的方式建立模板。遺憾的是，通過模板測試并不能保證系統在允許的最大BER (一般來說BER ≤ 1E-12)以下工作。
圖1. 眼圖，頂部是模板測試，底部是對應的波形。
抖動分析
不管我們是否通過模板測試，如果信號完整性仍存在問題，那么我們就要執行抖動分析。圖2把抖動分成不同的成分和子成分，圖3顯示了抖動摘要測量，從左上開始順時針方向包括：浴缸圖、眼圖、TIE頻譜和直方圖、抖動測量結果和波形。
在劃分抖動時，首先要把TIE分布分成隨機性成分和確定性成分，也就是RJ (隨機性抖動)和DJ (確定性抖動)。DJ進一步劃分成與數據中的位序列有關的抖動—DDJ (數據相關抖動)，以及與其無關的抖動，如PJ (周期性抖動)。
如果眼圖交點分布寬，那么表明抖動是隨機性的。如果眼圖表現為由許多近乎不同的線組成，那么表明眼圖是DDJ，可能源于信號路徑中的阻抗不匹配，但眼圖分析在查找眼圖閉合根本原因時幾乎沒有什么幫助。在配備選配的高級抖動分析(DJA)包時，MSO6B可以測量多種抖動類型，找到硬件漏洞，包括：TIE，RJ，DJ，DDJ，PJ，TJ (總抖動)，EH (眼高)，EW (眼寬)，眼高，眼低。表1列出了不同的抖動類型及導致抖動的原因實例。
圖2. 把抖動劃分成不同的成分。
圖3. 抖動摘要截屏。
表1. MSO6B上執行的抖動測量及常見原因實例。
時鐘上的隨機性抖動和周期性抖動
時鐘設定發射機中的位跳變定時及接收機中的分片器定時。分布式時鐘為相關組件提供了一個常用的定時基準，可以在示波器上直觀觀察分布式時鐘。
在嵌入式時鐘系統中，我們不能直接觀測時鐘信號。振蕩器集成在發射機芯片中，接收機從數據中恢復時鐘信號。CR(時鐘恢復)電路使用PLL(鎖相環)、DLL(延遲鎖定環路)或類似技術從數據跳變中提取數據速率時鐘。嵌入式時鐘較分布式時鐘有多種優勢：第一，它們不要求額外的軌跡完成分布；第二，它們會過濾低頻抖動。
時鐘噪聲作為隨機性抖動和/或周期性抖動傳播到信號上。如果數據速率時鐘上的隨機性抖動太高，那么時鐘相噪可能會引發問題。盡管相噪在時鐘上不可避免，但如果觀察到有大量的周期性抖動，則表明出現了問題。
分析分布式時鐘上的抖動
由于分布式時鐘系統中的示波器探頭可以接入時鐘，所以我們可以在MSO6B的Spectrum View頻譜視圖中分析時鐘。諧振應該銳利、窄，沒有諧波雜散信號。所有諧振都有一些近載波相噪，也就是隨機性抖動的來源，但如果諧振寬且呈塊狀，并且白噪聲過高，那么這種諧振則是由于電子器件有噪聲、電阻器件或電子器件過熱引起的。雜散信號會引起周期性抖動，可能是由于振動和EMI引起的，其可能來自PDN。
圖4所示的時鐘頻譜和波形擁有干凈銳利的諧振，但有許多雜散信號，約比諧振低50dB，在時域中會看到其影響。雜散信號在數據信號中可能會導致周期性抖動，但借助手邊的雜散信號頻率，我們通常能夠找到問題，只需檢查系統設計中的振蕩器或開關電路是否會在這些頻率產生EMI輻射。
圖4. 時鐘頻譜(頂部)和時鐘信號(底部)。
分析嵌入式時鐘上的抖動
在大多數情況下，嵌入式時鐘系統中的發射機和接收機都不能通過引腳接入基準時鐘或恢復的時鐘，但我們仍能分析它。為了把時鐘與系統的其他方面分開，我們可以分析重復的測試碼型：固定數量的0，后面跟著相同數量的1，如01010。交替碼型的優點是可以去除與位序列有關的抖動，也就是DDJ (數據相關抖動)。
從數據中恢復時鐘，使得接收機能夠追蹤低頻抖動。低于CR帶寬的抖動會同時出現在數據和時鐘上，確定分片器樣點位置。在分片器的定時擁有的抖動幅度和相位與信號相同時，該抖動不會導致錯誤。
另一方面，高于CR帶寬的頻率上的抖動可能會導致錯誤。CR帶寬由標準指定，其通常由黃金PLL設置(即fd/1667)。為分析相關抖動頻率，示波器必須捕獲足夠的時間，包含時鐘的最低頻率成分。MSO6B在軟件中仿真時鐘恢復，可以自行配置，也可以從標準指定的PLL列表中選擇。
功率完整性問題
圖5顯示了低的和不同的時鐘恢復方式的影響，頂部是恒定時鐘CR，底部是二類PLL，從左到右是TIE頻譜、眼圖和波形。周期性抖動在頻譜中顯示為雜散信號，隨機性抖動顯示為噪底。
圖5. TIE頻譜、眼圖和波形，頂部是恒定時鐘CR，底部是二類PLL。
在圖6頂行中，恒定時鐘頻率的抖動幅度和相位與數據抖動差異很大。結果是眼圖和波形的信號完整性差，導致高BER。在底部，二類PLL恢復的時鐘的低頻抖動與數據相同，在CR帶寬內的頻率上有效過濾了隨機性抖動和周期性抖動。結果，眼圖和波形擁有良好的信號完整性和低BER。即使是二類PLL的時鐘，TIE頻譜中的雜散信號也表明存在周期性抖動。再次對比手邊的雜散信號頻率，我們可以檢查系統設計中是否有任何器件在這些頻率上有EMI輻射，從而找到問題。
遺憾的是，解決周期性抖動問題，通常要遠比在電路中找到對應的振蕩器復雜。在沒有明顯的周期性抖動來源時，我們必須分析系統的功率完整性。電源軌道紋波經常會導致周期性抖動，有時還會導致隨機性抖動。
抖動和配電網絡
PDN的工作是保持恒壓及為每個有源器件提供足夠的電流。它影響著每個要素的性能，不管是有源還是無源。PDN包括整個系統，而不只是VRM (穩壓器模塊)和內部芯片配電，而是包括每個互連、軌跡、通路、連接器、電容器、封裝、引腳和球柵。其性能取決于SERDES特點及系統整體有效的串聯阻抗、ESR、ESC和ESL (有效串聯電阻、電容和電感)。
紋波對隨機性抖動/周期性抖動的影響
電源軌道噪聲通常稱為紋波，一般在幾毫伏。在幾GHz頻率的電源軌道上準確測量幾mV噪聲，要求使用高DC阻抗的高帶寬探頭，其在高頻下作為50 Ω傳輸線操作。TPR1000和TPR4000電源軌道探頭就是專為這一目的設計的。在選配6系列B MSO數字功率管理(6-DPM)分析包后，您可以在多條電源軌跡上自動進行功率分析，該分析包可以方便地進行關鍵抖動測量(TIE, RJ, DJ, PJ)。
開關式電源調節電源軌道和回路(即“地面”)之間的電壓，在低耗散開關狀態之間連續切換，通過改變開/關占空比，實現恒壓。通過避免高耗散狀態，它們浪費的功率要遠遠低于線性電源。遺憾的是，驅動開關單元的開/關脈寬模式可能會感應“開關噪聲”，導致周期性抖動。
開關以固定頻率發生，應記錄在VRM產品技術資料中。如圖6左上方所示，如果紋波頻譜及緊下方的TIE頻譜在開關頻率上都有雜散信號，那么我們知道其來源，可以處理設計。注意圖6中紅色標記處的大的重疊雜散信號。TIE頻譜右面的TIE直方圖有簽名正弦曲線抖動分布 (馬蹄鐵形)，在一個頻率上有周期性抖動。
圖6. 左上方Spectrum View頻譜視圖中的電源軌道紋波。
電源可能會引入隨機性噪聲，導致隨機性抖動。電源軌道隨機性噪聲在圖7表現為左上方Spectrum View頻譜視圖的噪底。在這個實例中，功率紋波引起的隨機性噪聲很低，隨機性抖動很小，約為0.84 ps。
周期性抖動和地面彈跳
在邏輯跳變過程中，發射機和接收機為PDN提供電流，或從PDN接收電流。當多個信號在不同電平之間同時切換時，它們可能會沉積電荷或從電源軌道和/或地平面中移除大量的電荷。短期引入電荷密度會改變本應在導體中作為公共接地的電壓。得到的電壓變化稱為地面彈跳，也可以稱為同時開關噪聲(SSN)。
先闡明幾點：第一，這里所說的“地面”，指的是回路希望的公共基準電壓，其通常定義為0 V；第二，“同時”指的是在上升/下降時間重疊時，在這個時間間隔內多個元器件同時提供或接收電荷。
SSN在時域中看上去是隨機的，但在頻域中看上去不是隨機的。數據信號由許多頻率成分組成，包括基礎頻率或內奎斯特頻率，可能多達兩個更高諧波，外加來自連續的完全相同的位的子諧波。同時開關可能發生在任何頻率上。因此，SSN是周期性噪聲，有許多低幅度雜散信號，可能會導致周期性抖動。為了確認周期性抖動是由SSN導致的，對比圖7左上方的電源軌道頻譜與緊下方的TIE頻譜。在兩個頻譜中，高幅度雜散信號都出現在相同的頻率上，表明周期性抖動主要源于SSN。
圖7. (a)電源軌道紋波頻譜和 (b) TIE/抖動頻譜。
小結
信號完整性和功率完整性是一個反饋回路。網絡中的每個要素、每條軌跡、通路、連接器、引腳、封裝等，都會影響PDN阻抗和每條通道的阻抗，每個有源器件都會改變電源軌道和地平面的電壓。眼圖可能告訴我們與信號完整性有關的許多東西，但幾乎不能幫助我們確定具體問題。通過分析TIE分布，我們可以把抖動分成不同的成分，了解問題出在哪兒。隨機性抖動高，通常意味著時鐘有噪聲，但也表明電源有隨機性噪聲。
周期性抖動可能表明時鐘有問題，電源有開關噪聲，或存在地面彈跳/SSN。對比電源軌道紋波頻譜與TIE頻譜，可以分兩步隔離問題。TIE頻譜中有雜散信號，但在電源軌道頻譜中沒有任何對應的雜散信號，表示時鐘有問題。在兩個頻譜的相同頻率上有一個或兩個雜散信號，表明存在電源開關噪聲。兩個頻譜都有大量的雜散信號，表明SSN有問題。不管是哪種情況，進行抖動和功率綜合分析都能隔離很多棘手的問題。
信號完整性和功率完整性通常被視為不同的兩個學科，只有同時了解這兩者，才能找到與高抖動有關的問題。MSO6B提供了必要的工具，在簡便易用的觸摸屏環境中把這兩個學科結合在一起。
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