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技術(shù)專題
調(diào)試電源噪聲以減少信號和時鐘抖動
低電平組件需要超穩(wěn)定的電源，而高速數(shù)字信號則需要具有可重復(fù)的邊沿轉(zhuǎn)換時間。數(shù)字信號的兩個方面是相關(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。在設(shè)計調(diào)試期間，如果要隔離和消除電源噪聲源，則需要在整個電路板上收集測量結(jié)果。這是您如何隔離直流線上會引起抖動的確定性強噪聲源的方法。
電源噪聲和抖動源
如果您曾經(jīng)覆蓋過數(shù)字信號的時域軌跡，那么您就對抖動很熟悉。該術(shù)語（有時與相位噪聲互換使用）是指數(shù)字信號的邊沿觸發(fā)和通過邏輯電路的傳播延遲中的波動。抖動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會導(dǎo)致數(shù)字信號延遲觸發(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源。
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噪聲源 |
噪聲類型 |
描述 |
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開關(guān)噪聲 |
周期 |
產(chǎn)生于開關(guān)調(diào)節(jié)器中的開關(guān)元件 |
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高斯噪聲 |
隨機 |
由電容電阻能級的熱波動引起，這通常不是電子設(shè)備中考慮的比較大噪聲源 |
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1/f噪聲 |
隨機 |
這主要于你的元件中的半導(dǎo)體晶格缺陷有關(guān)，盡管沒有1/f噪聲的單一來源 |
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漂移 |
偽隨機 |
這是局限在低頻率，頻率成分可以隨時間變化 |
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瞬態(tài)響應(yīng)確定性 |
確定的 |
當(dāng)一個系統(tǒng)有多個時鐘時，這通常看起來是隨機的，但是通過一些分析，你可以確定哪些組件是這種噪聲的主要驅(qū)動因素 |
該表中的最后一項是最值得關(guān)注的一項，因為它對抖動的影響很大。PDN設(shè)計和分析中經(jīng)常提到?1 ps / mV的抖動靈敏度值。對于具有高電源電平和低上升時間（例如分別為3.3 V和?1 ns）的器件，紋波引起的抖動可能僅在5％紋波時不會上升到15％以上。但是，隨著組件變得越來越小以及開關(guān)速率增加，抖動和電源電壓紋波的容差也越來越嚴(yán)格。
降低抖動需要在兩個方面抑制電源噪聲的影響：
在PDN上：您需要將PDN設(shè)計為低紋波，以防止強烈的抖動。如果您可以降低到幾mV RMS紋波電壓，那么您的PDN設(shè)計就做得很好。
時鐘抖動：所有時鐘對各種噪聲源都有自己的敏感性，這會影響時鐘信號輸出的抖動。PDN應(yīng)該設(shè)計為始終具有低紋波，但是時鐘信號中的抖動仍會在組件的輸出上產(chǎn)生抖動。這是由于在其他組件中鎖存和觸發(fā)位轉(zhuǎn)換時出錯。
當(dāng)您擁有多個系統(tǒng)時鐘時，最后一點將變得更加困難，并且您需要確定對抖動影響比較大的時鐘。對于系統(tǒng)時鐘，或來自單個源的多條時鐘線，您可能可以查明特定組件的抖動源。通常，多個時鐘將導(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。自然抖動也有一個下限，與瞬態(tài)紋波無關(guān)。這只能通過使用PLL鎖定到更穩(wěn)定的參考振蕩器來清除。最后，一個PDN部分（例如5 V）上的噪聲可能會在另一PDN部分（例如3.3 V）上產(chǎn)生噪聲。
如果可以測量抖動和電源噪聲，則可以確定對組件中的抖動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。
如何測量由于電源噪聲和紋波引起的抖動
對于某些示波器來說，測量抖動非常困難，因為它在觀察波形時依賴于邊沿觸發(fā)。從視覺上看，在觀察示波器跡線時抖動并不明顯，確定抖動可能需要手動平移并疊加多個信號跡線，以量化抖動。這就是為什么量化電源噪聲及其抖動的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用高質(zhì)量的示波器收集眼圖的原因。
眼圖測量顯示抖動和電平變化
收集了特定組件的眼圖后，您可以將其與時域中PDN上紋波的直接測量值進(jìn)行比較。應(yīng)當(dāng)在多種情況下執(zhí)行此操作，因為瞬態(tài)紋波導(dǎo)致的電源噪聲不會增加。在這種情況下，PDN電壓波動被表示為正交相加的復(fù)數(shù)。
對于示波器對PDN紋波的任何測量，請使用衰減系數(shù)盡可能低的探頭，因為這將防止探頭夸大您測得的電源噪聲。此外，請注意示波器的帶寬。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)確測量值的帶寬，因為這將使您看到PDN紋波中所有可能的毛刺。
您可能希望從時域PDN紋波測量中看到FFT結(jié)果。強大的高頻噪聲源對背景噪聲非常明顯
進(jìn)行時域測量后，如果有多個有源組件，您將無法查看哪個開關(guān)組件或時鐘是造成紋波的主要因素。而是將數(shù)據(jù)帶入頻域。功率譜中的任何強峰值將對應(yīng)于某些組件或時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。