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专治抖动!查找和诊断功率完整性问题导致的抖动


  来源: 泰克科技 时间:2020-10-13 编辑:清风
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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)。


纹波对随机性/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数字功率管理(6-DPM)分析包后,您可以在多条电源轨迹上自动进行功率分析,该分析包可以方便地进行关键抖动测量(TIE, RJ, DJ, PJ)。


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,它们浪费的功率要远远低于线性电源。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。


图6. 左上方Spectrum View频谱视图中的电源轨道纹波


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。


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,功率纹波引起的随机性噪声很低,随机性抖动很小,约为0.84 ps。


周期性抖动和地面弹跳


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)。

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。


图7. (a)电源轨道纹波频谱和 (b) TIE/抖动频谱


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。


小结


信号完整性和功率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。


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,进行抖动和功率综合分析都能隔离很多棘手的问题。


信号完整性和功率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。

关键词:测量 抖动 示波器    浏览量:23983

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