在数字电路中,一串二进制的信号流是通过电压(或电流)的波形来表示。然而,自然界的信号实际上都是模拟的,而非数字的,所有的信号都受噪音、扭曲和损失影响。信号完整性考虑的问题主要有振铃(ringing)、串扰(crosstalk)、接地反弹、扭曲(skew)、信号损失和电源供应中的噪声。
精准的周期性采样时钟是确保数字系统进行正确通信的前提。如果时钟信号发生了偏移,将引起传输的数字信号流发生变化,比如造成时延、误码等等。在高速数字系统中,随着时钟速率迈入GHz级,首要目标是保证信号完整无失真地从源端传送到接收端,往往电源完整性不佳就会影响时钟信号,进而引起信号完整性问题。
高速数字产品设计中不单单包含信号完整性问题,还包含电源完整性问题,而对数字系统中的电源轨噪声进行评估,将直接反映电源完整性的好坏,本文将介绍数字产品中电源轨噪声如何影响系统中时钟抖动,同时了解电源轨噪声测试设备。
数字电路中的直流电压也就是电源轨波形往往看起来像是纯净平直,然而当我们通过示波器放大后发现其实不是,电源轨上是存在交流波动成分的。
除了由开关电源引入的波动外,电源轨也会受耦合噪声的干扰,当PDN上发生振铃时,会影响芯片输出的时钟信号发生偏移,时钟信号上升沿发生的偏移就是我们俗称的抖动Jitter。
数字系统中的芯片通常由CMOS集成电路组成,其开关阈值会受电源轨的噪声影响而波动,进而引起了系统输出时钟或数据的抖动。
由下图可以看出,电源轨噪声波动的大小将对抖动大小带来影响,电源轨波动越小引起时钟信号的抖动Jitter也会越小。
电源轨噪声与时钟信号斜率的比值决定了抖动的大小,电源轨噪声与抖动的关系可由以下公式描述:
如果要对抖动的影响进行验证,就要准确测量电源轨噪声。但是在如今的电子产品中对电源完整性进行准确评估充满挑战。以常见的数字电子产品手机为例,随着手机发展的演变,体积越来越小,而内部IC集成度越来越高,电流密度越来越大,而功耗却在降低,从而要求输入电压也在降低(从典型的5V、3V减小至1V),甚至电压容限也在降低(10%减小到5%,甚至是1%)。这就会给电源轨测量造成挑战。
RT-ZPR电源轨探头是应对这一挑战的Z佳选择,它不仅具备极低的系统噪声(衰减比1:1),也具备2GHz/4GHz高带宽范围,可以测量更高频率范围的电源轨噪声。
以实际测量为例:使用RT-ZPR电源轨探头和传统RT-ZP1X纹波探头测试直流电压Vpp对比:
38 MHz带宽1:1无源探头RT-ZP1X会遗漏高频成分,不能显示尖峰的存在,从而低估Vpp测量值。但使用同样衰减比而带宽高达2 GHz的电源轨探头RT-ZPR20可以捕获并测量高频瞬态,还能拥有极低的噪声,不难看出针对高频瞬变需要高带宽电源轨探头才能测量出正确的Vpp值。
综上所述,电源轨信号并非是完全平直的,它会受到噪声干扰,进而影响系统时钟的稳定。当今数字产品中电源轨电压越来越低,同时要求的容限也越来越严苛,从而对测量电源轨信号造成挑战。电源轨探头RT-ZPR充分应对这些挑战,可以进行准确测量 (高带宽,高灵敏度,低噪声和大偏置补偿)。