低電平組件需要超穩定的電源，而高速數字信號則需要具有可重復的邊沿轉換時(shí)間。數字信號的兩個(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字系統中的抖動(dòng)。在設計調試期間，如果要隔離和消除電源噪聲源，則需要在整個(gè)電路板上收集測量結果。這是您如何隔離直流線(xiàn)上會(huì )引起抖動(dòng)的確定性強噪聲源的方法。
電源噪聲和抖動(dòng)源
如果您曾經(jīng)覆蓋過(guò)數字信號的時(shí)域軌跡，那么您就對抖動(dòng)很熟悉。該術(shù)語(yǔ)（有時(shí)與相位噪聲互換使用）是指數字信號的邊沿觸發(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 )導致數字信號延遲觸發(fā)或延遲觸發(fā)。下表顯示了一般半導體器件和PCB中電源噪聲的主要來(lái)源。
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噪聲源
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噪聲類(lèi)型
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描述
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開(kāi)關(guān)噪聲
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周期
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產(chǎn)生于開(kāi)關(guān)調節器中的開(kāi)關(guān)元件
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高斯噪聲
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隨機
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由電容電阻能級的熱波動(dòng)引起，這通常不是電子設備中考慮的比較大噪聲源
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1/f噪聲
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隨機
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這主要于你的元件中的半導體晶格缺陷有關(guān)，盡管沒(méi)有1/f噪聲的單一來(lái)源
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漂移
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偽隨機
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這是局限在低頻率，頻率成分可以隨時(shí)間變化
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瞬態(tài)響應確定性
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確定的
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當一個(gè)系統有多個(gè)時(shí)鐘時(shí)，這通�？雌饋�(lái)是隨機的，但是通過(guò)一些分析，你可以確定哪些組件是這種噪聲的主要驅動(dòng)因素
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該表中的最后一項是最值得關(guān)注的一項，因為它對抖動(dòng)的影響很大。PDN設計和分析中經(jīng)常提到〜1 ps / mV的抖動(dòng)靈敏度值。對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(zhù)組件變得越來(lái)越小以及開(kāi)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設計為低紋波，以防止強烈的抖動(dòng)。如果您可以降低到幾mV RMS紋波電壓，那么您的PDN設計就做得很好。
時(shí)鐘抖動(dòng)：所有時(shí)鐘對各種噪聲源都有自己的敏感性，這會(huì )影響時(shí)鐘信號輸出的抖動(dòng)。PDN應該設計為始終具有低紋波，但是時(shí)鐘信號中的抖動(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)位轉換時(shí)出錯。
當您擁有多個(gè)系統時(shí)鐘時(shí)，最后一點(diǎn)將變得更加困難，并且您需要確定對抖動(dòng)影響比較大的時(shí)鐘。對于系統時(shí)鐘，或來(lái)自單個(gè)源的多條時(shí)鐘線(xiàn)，您可能可以查明特定組件的抖動(dòng)源。通常，多個(gè)時(shí)鐘將導致PDN上的瞬態(tài)紋波，然后造成系統中其他位置的抖動(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。
如果可以測量抖動(dòng)和電源噪聲，則可以確定對組件中的抖動(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。
如何測量由于電源噪聲和紋波引起的抖動(dòng)
對于某些示波器來(lái)說(shuō)，測量抖動(dòng)非常困難，因為它在觀(guān)察波形時(shí)依賴(lài)于邊沿觸發(fā)。從視覺(jué)上看，在觀(guān)察示波器跡線(xiàn)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)信號跡線(xiàn)，以量化抖動(dòng)。這就是為什么量化電源噪聲及其抖動(dòng)的標準方法是使用高質(zhì)量的示波器收集眼圖的原因。
眼圖測量顯示抖動(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上紋波的直接測量值進(jìn)行比較。應當在多種情況下執行此操作，因為瞬態(tài)紋波導致的電源噪聲不會(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數。
對于示波器對PDN紋波的任何測量，請使用衰減系數盡可能低的探頭，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〜1 GHz的頻率分量。僅使用需要收集準確測量值的帶寬，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(shí)域PDN紋波測量中看到FFT結果。強大的高頻噪聲源對背景噪聲非常明顯
進(jìn)行時(shí)域測量后，如果有多個(gè)有源組件，您將無(wú)法查看哪個(gè)開(kāi)關(guān)組件或時(shí)鐘是造成紋波的主要因素。而是將數據帶入頻域。功率譜中的任何強峰值將對應于某些組件或時(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。 |
