在數(shù)字電路中,一串二進制的信號流是通過電壓(或電流)的波形來表示。然而,自然界的信號實際上都是模擬的,而非數(shù)字的,所有的信號都受噪音、扭曲和損失影響。信號完整性考慮的問題主要有振鈴(ringing)、串擾(crosstalk)、接地反彈、扭曲(skew)、信號損失和電源供應中的噪聲。
精準的周期性采樣時鐘是確保數(shù)字系統(tǒng)進行正確通信的前提。如果時鐘信號發(fā)生了偏移,將引起傳輸?shù)臄?shù)字信號流發(fā)生變化,比如造成時延、誤碼等等。在高速數(shù)字系統(tǒng)中,隨著時鐘速率邁入GHz級,首要目標是保證信號完整無失真地從源端傳送到接收端,往往電源完整性不佳就會影響時鐘信號,進而引起信號完整性問題。
高速數(shù)字產品設計中不單單包含信號完整性問題,還包含電源完整性問題,而對數(shù)字系統(tǒng)中的電源軌噪聲進行評估,將直接反映電源完整性的好壞,本文將介紹數(shù)字產品中電源軌噪聲如何影響系統(tǒng)中時鐘抖動,同時了解電源軌噪聲測試設備。
數(shù)字電路中的直流電壓也就是電源軌波形往往看起來像是純凈平直,然而當我們通過示波器放大后發(fā)現(xiàn)其實不是,電源軌上是存在交流波動成分的。
除了由開關電源引入的波動外,電源軌也會受耦合噪聲的干擾,當PDN上發(fā)生振鈴時,會影響芯片輸出的時鐘信號發(fā)生偏移,時鐘信號上升沿發(fā)生的偏移就是我們俗稱的抖動Jitter。
數(shù)字系統(tǒng)中的芯片通常由CMOS集成電路組成,其開關閾值會受電源軌的噪聲影響而波動,進而引起了系統(tǒng)輸出時鐘或數(shù)據(jù)的抖動。
由下圖可以看出,電源軌噪聲波動的大小將對抖動大小帶來影響,電源軌波動越小引起時鐘信號的抖動Jitter也會越小。
電源軌噪聲與時鐘信號斜率的比值決定了抖動的大小,電源軌噪聲與抖動的關系可由以下公式描述:
如果要對抖動的影響進行驗證,就要準確測量電源軌噪聲。但是在如今的電子產品中對電源完整性進行準確評估充滿挑戰(zhàn)。以常見的數(shù)字電子產品手機為例,隨著手機發(fā)展的演變,體積越來越小,而內部IC集成度越來越高,電流密度越來越大,而功耗卻在降低,從而要求輸入電壓也在降低(從典型的5V、3V減小至1V),甚至電壓容限也在降低(10%減小到5%,甚至是1%)。這就會給電源軌測量造成挑戰(zhàn)。
RT-ZPR電源軌探頭是應對這一挑戰(zhàn)的Z佳選擇,它不僅具備極低的系統(tǒng)噪聲(衰減比1:1),也具備2GHz/4GHz高帶寬范圍,可以測量更高頻率范圍的電源軌噪聲。
以實際測量為例:使用RT-ZPR電源軌探頭和傳統(tǒng)RT-ZP1X紋波探頭測試直流電壓Vpp對比:
38 MHz帶寬1:1無源探頭RT-ZP1X會遺漏高頻成分,不能顯示尖峰的存在,從而低估Vpp測量值。但使用同樣衰減比而帶寬高達2 GHz的電源軌探頭RT-ZPR20可以捕獲并測量高頻瞬態(tài),還能擁有極低的噪聲,不難看出針對高頻瞬變需要高帶寬電源軌探頭才能測量出正確的Vpp值。
綜上所述,電源軌信號并非是完全平直的,它會受到噪聲干擾,進而影響系統(tǒng)時鐘的穩(wěn)定。當今數(shù)字產品中電源軌電壓越來越低,同時要求的容限也越來越嚴苛,從而對測量電源軌信號造成挑戰(zhàn)。電源軌探頭RT-ZPR充分應對這些挑戰(zhàn),可以進行準確測量 (高帶寬,高靈敏度,低噪聲和大偏置補償)。