如何測(cè)量由于電源噪聲和紋波引起的抖動(dòng)

低電平組件需要超穩(wěn)定的電源，而高速數(shù)字信號(hào)則需要具有可重復(fù)的邊沿轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)字信號(hào)的兩個(gè)方面是相關(guān)的，您需要抑制電源噪聲的所有方面以減少數(shù)字系統(tǒng)中的抖動(dòng)。在設(shè)計(jì)調(diào)試期間，如果要隔離和消除電源噪聲源，則需要在整個(gè)電路板上收集測(cè)量結(jié)果。這是您如何隔離直流線上會(huì)引起抖動(dòng)的確定性強(qiáng)噪聲源的方法。

電源噪聲和抖動(dòng)源

如果您曾經(jīng)覆蓋過(guò)數(shù)字信號(hào)的時(shí)域軌跡，那么您就對(duì)抖動(dòng)很熟悉。該術(shù)語(yǔ)（有時(shí)與相位噪聲互換使用）是指數(shù)字信號(hào)的邊沿觸發(fā)和通過(guò)邏輯電路的傳播延遲中的波動(dòng)。抖動(dòng)與電源噪聲密切相關(guān)，在電源噪聲中，直流電源電平的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)延遲觸發(fā)或延遲觸發(fā)。下表顯示了一般半導(dǎo)體器件和PCB中電源噪聲的主要來(lái)源。

該表中的最后一項(xiàng)是最值得關(guān)注的一項(xiàng)，因?yàn)樗鼘?duì)抖動(dòng)的影響很大。PDN設(shè)計(jì)和分析中經(jīng)常提到?1 ps / mV的抖動(dòng)靈敏度值。對(duì)于具有高電源電平和低上升時(shí)間（例如分別為3.3 V和?1 ns）的器件，紋波引起的抖動(dòng)可能僅在5％紋波時(shí)不會(huì)上升到15％以上。但是，隨著組件變得越來(lái)越小以及開關(guān)速率增加，抖動(dòng)和電源電壓紋波的容差也越來(lái)越嚴(yán)格。

降低抖動(dòng)需要在兩個(gè)方面抑制電源噪聲的影響：

在PDN上：您需要將PDN設(shè)計(jì)為低紋波，以防止強(qiáng)烈的抖動(dòng)。如果您可以降低到幾mV RMS紋波電壓，那么您的PDN設(shè)計(jì)就做得很好。

時(shí)鐘抖動(dòng)：所有時(shí)鐘對(duì)各種噪聲源都有自己的敏感性，這會(huì)影響時(shí)鐘信號(hào)輸出的抖動(dòng)。PDN應(yīng)該設(shè)計(jì)為始終具有低紋波，但是時(shí)鐘信號(hào)中的抖動(dòng)仍會(huì)在組件的輸出上產(chǎn)生抖動(dòng)。這是由于在其他組件中鎖存和觸發(fā)位轉(zhuǎn)換時(shí)出錯(cuò)。

當(dāng)您擁有多個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，最后一點(diǎn)將變得更加困難，并且您需要確定對(duì)抖動(dòng)影響比較大的時(shí)鐘。對(duì)于系統(tǒng)時(shí)鐘，或來(lái)自單個(gè)源的多條時(shí)鐘線，您可能可以查明特定組件的抖動(dòng)源。通常，多個(gè)時(shí)鐘將導(dǎo)致PDN上的瞬態(tài)紋波，然后造成系統(tǒng)中其他位置的抖動(dòng)。自然抖動(dòng)也有一個(gè)下限，與瞬態(tài)紋波無(wú)關(guān)。這只能通過(guò)使用PLL鎖定到更穩(wěn)定的參考振蕩器來(lái)清除。最后，一個(gè)PDN部分（例如5 V）上的噪聲可能會(huì)在另一PDN部分（例如3.3 V）上產(chǎn)生噪聲。

如果可以測(cè)量抖動(dòng)和電源噪聲，則可以確定對(duì)組件中的抖動(dòng)影響比較大的噪聲源。您需要的主要工具是可以收集眼圖的高帶寬示波器。

如何測(cè)量由于電源噪聲和紋波引起的抖動(dòng)

對(duì)于某些示波器來(lái)說(shuō)，測(cè)量抖動(dòng)非常困難，因?yàn)樗谟^察波形時(shí)依賴于邊沿觸發(fā)。從視覺上看，在觀察示波器跡線時(shí)抖動(dòng)并不明顯，確定抖動(dòng)可能需要手動(dòng)平移并疊加多個(gè)信號(hào)跡線，以量化抖動(dòng)。這就是為什么量化電源噪聲及其抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用高質(zhì)量的示波器收集眼圖的原因。

眼圖測(cè)量顯示抖動(dòng)和電平變化

收集了特定組件的眼圖后，您可以將其與時(shí)域中PDN上紋波的直接測(cè)量值進(jìn)行比較。應(yīng)當(dāng)在多種情況下執(zhí)行此操作，因?yàn)樗矐B(tài)紋波導(dǎo)致的電源噪聲不會(huì)增加。在這種情況下，PDN電壓波動(dòng)被表示為正交相加的復(fù)數(shù)。

對(duì)于示波器對(duì)PDN紋波的任何測(cè)量，請(qǐng)使用衰減系數(shù)盡可能低的探頭，因?yàn)檫@將防止探頭夸大您測(cè)得的電源噪聲。此外，請(qǐng)注意示波器的帶寬。PDN上的瞬變可以具有高達(dá)?1 GHz的頻率分量。僅使用需要收集準(zhǔn)確測(cè)量值的帶寬，因?yàn)檫@將使您看到PDN紋波中所有可能的毛刺。

您可能希望從時(shí)域PDN紋波測(cè)量中看到FFT結(jié)果。強(qiáng)大的高頻噪聲源對(duì)背景噪聲非常明顯

進(jìn)行時(shí)域測(cè)量后，如果有多個(gè)有源組件，您將無(wú)法查看哪個(gè)開關(guān)組件或時(shí)鐘是造成紋波的主要因素。而是將數(shù)據(jù)帶入頻域。功率譜中的任何強(qiáng)峰值將對(duì)應(yīng)于某些組件或時(shí)鐘在指定頻率下的切換。然后，您可以采取措施減少所標(biāo)識(shí)組件產(chǎn)生的紋波，例如添加去耦/旁路電容器或確保相關(guān)PDN上的更大的平面間電容。
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