如何通过电源轨分析理解电源轨噪声与抖动

了找出误码的根本原因，抖动分析是最好的起点，但是在某些情况下，电源轨分析可以帮助找出真正的根本原因。为了深入了解比特错误，我们在时域和频域都研究了抖动和电源轨噪声。比较TIE频谱中的PJ（周期性抖动）频率和电源纹波频谱中的杂散，是识别由PDN（配电网络）引起的信号完整性问题的快速而准确的方法。

SI和PI助长错误

数字错误是由抖动和噪声引起的。噪声是信号幅度变化的广义术语。抖动是相对于数据速率时钟的比特转换时序变化，即所谓的时间间隔误差。抖动是由相位噪声和幅度噪声到抖动的转换引起的。抖动噪声带来了串扰，EMI（电磁干扰）和随机噪声的问题。

信号完整性分析着眼于BER（误码率），着眼于发送器，参考时钟，通道和接收器的性能。电源完整性着眼于PDN提供恒定电压电源轨和低阻抗返回路径的能力。SI和PI具有广泛的相互依赖性。PDN会引起噪声和抖动。电路设计和组件（芯片封装，引脚，走线，过孔，连接器）会影响PDN的阻抗，进而影响供电质量。

从眼图开始调试SI问题

硬件调试可以从眼图分析开始。眼图由相对于时钟的重叠波形组成，图1。

图1：眼图，带遮罩测试，顶部，对应的波形，底部。

交叉点的水平宽度表示抖动，眼睛的顶部和底部的垂直宽度表示噪声。睁大眼睛应该对应于低BER。如果BER太高，下一步就是执行抖动分析。图2将抖动的分解图映射到其组件和子组件，图3显示了“抖动摘要”测量值，包括浴盆图，眼图，TIE频谱和直方图，抖动测量结果和波形。

图2：抖动分解为其各个组成部分。

图3：抖动摘要屏幕快照，从左上方顺时针方向：浴缸图，眼图，TIE频谱，抖动分析结果，波形，TIE直方图。

抖动的分解开始于将TIE分布分为其随机和确定性分量RJ（随机抖动）和DJ（确定性抖动）。DJ进一步分为与数据中的比特序列相关的抖动-DDJ（与数据有关的抖动）和与PJ（周期性抖动）等不相关的抖动。

眼图上的广泛交叉可以指示RJ。看起来由许多几乎不同的线组成的眼睛可能表示DDJ，可能是由于信号路径中的阻抗不匹配所致。需要更详细的测量来确定可以指示硬件错误的抖动类型：TIE，RJ，DJ，DDJ，PJ，TJ（总抖动），EH（眼高），EW（眼宽），眼高和眼低的。表1列出了不同类型的抖动和一些原因。电源轨纹波是PJ有时甚至是RJ的常见原因。

表1：抖动测量以及常见原因示例。

抖动和配电网络

PDN的工作是维持恒定电压并为系统中的组件提供足够的电流。它会影响主动或被动每个元素的性能。PDN包括整个系统，不仅包括DC-DC转换器和内部芯片电源分配，还包括每个互连，走线，过孔，连接器，电容器，封装，引脚和球栅。

纹波对随机和周期性抖动的影响

电源轨噪声通常称为纹波，通常为几毫伏。要在GHz频率上准确测量电源轨上的mV噪声，就需要具有高DC阻抗的高带宽探头，该探头在高频下充当50Ω传输线。为此专门设计了电源导轨探头。

开关电源通过在低功耗​​导通和关断状态之间连续切换来调节电源轨和返回路径（又称“接地”）之间的电压。不幸的是，驱动开关元件的脉冲会引起“开关噪声”并引起PJ。

开关以固定频率发生，应将其记录在DC-DC转换器的数据手册中。如果图4左上方的纹波频谱和紧靠其下方的TIE频谱在开关频率或开关频率的谐波处都有杂散，那么我们就知道了源头并可以解决设计问题。请注意，图4中红色标记处出现大的重合杂散。TIE频谱右边的TIE直方图在一个频率上具有正弦抖动分布（马蹄形）PJ。

图4：频谱视图左上方的电源轨纹波，以及其下方的TIE频谱，以及信号和电源轨波形以及TIE直方图。

电源会引入随机噪声，从而导致RJ。电源轨随机噪声显示为图4左上方“频谱视图”图的本底噪声。RJ由TIE频谱的本底噪声计算得出。在此示例中，由于电源纹波引起的随机噪声非常低，RJ很小，约为0.84 ps。

PJ和地面弹跳

在逻辑转换期间，发送器和接收器从PDN获取或吸收电流。当多个信号同时在两个电平之间切换时，它们可以从电源导轨和/或接地板上沉积或去除大量电荷。短期引入电荷密度会改变导体两端共同接地的电压。所产生的电压变化称为接地反弹或等效的同时开关噪声（SSN）。

在继续之前，我们应该澄清两件事。首先，“接地”是指返回路径的所需公共参考电压，通常将其定义为0V。第二，“同时”是指组件在其上升/下降时间间隔内产生或吸收电荷。下降时间重叠。

SSN在时域中看起来是随机的，但在频域中却不是。数据信号由许多频率分量组成-基频或奈奎斯特频率，也许多达两个高次谐波，再加上连续相同位的次谐波。这些频率中的任何一个都可能发生同时切换。因此，SSN是具有许多低振幅杂散的周期性噪声，会引起PJ。

为了确认PJ是由SSN引起的，请将图5左上方的电源轨频谱与正下方的TIE频谱进行比较。在两个频谱中以相同频率出现的高振幅杂散表明SSN的PJ贡献很大。

图5：（a）电源轨纹波频谱和（b）TIE /抖动频谱。

概括

信号完整性和电源完整性是一个反馈回路。网络中的每个元素，每条走线，过孔，连接器，引脚，封装等都会影响PDN阻抗和每个通道的阻抗，并且每个有源组件都会改变电源轨和接地层的电压。

眼图可以告诉我们很多有关信号完整性的信息，但很少帮助我们识别特定问题。对TIE分布的分析将抖动分解为一些组件，这些组件提供了问题所在的线索。高RJ通常意味着时钟嘈杂，但也可能指示电源产生随机噪声。

PJ可能指示时钟故障，电源开关噪声或接地反弹/ SSN。将电源轨纹波频谱与TIE频谱进行比较可以分两步解决问题。TIE频谱中的杂散表示电源轨频谱中没有任何相应的杂散，表示时钟。两个频谱中相同频率的一个或两个杂散表示电源开关噪声；两个光谱共有的大量杂散表示SSN。在每种情况下，将抖动和功率分析结合起来可以解决其他困难的问题。

信号完整性和电源完整性通常被认为是不同的学科，但是我们已经发现，发现与高抖动相关的问题需要对两者都进行理解。

编辑：hfy