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調試電源噪聲以減少信號和時鐘抖動
調試電源噪聲以減少信號和時鐘抖動
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間。數字信令的兩個方面是相關的，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。在設計調試期間，如果要隔離和消除電源噪聲源，則需要在整個電路板上收集測量結果。這是如何在DC線上隔離確定性較強的噪聲源的方法，這些噪聲源會引起抖動。
電源噪聲和抖動源
如果您曾經覆蓋過數字信號的時域軌跡，那么您就對抖動很熟悉。該術語（有時與相位噪聲互換使用）是指數字信號的邊沿觸發和通過邏輯電路的傳播延遲中的波動。抖動與電源噪聲密切相關，在電源噪聲中，直流功率電平的波動會導致數字信號延遲觸發或延遲觸發。下表顯示了一般半導體器件和PCB中電源噪聲的主要來源。
該表中的最后一項是最值得關注的一項，因為它對抖動的影響最大。PDN設計和分析中經常提到?1 ps / mV的抖動靈敏度值。對于具有高電源電平和低上升時間（例如分別為3.3 V和?1 ns）的器件，紋波引起的抖動可能僅在5％紋波時不會上升到15％以上。但是，隨著組件變得越來越小以及開關速率增加，抖動和電源電壓紋波的容差也越來越嚴格。
降低抖動需要在兩個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。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。
時鐘抖動：所有時鐘對各種噪聲源都有自己的敏感性，這會影響時鐘信號輸出的抖動。PDN應該設計為始終具有低紋波，但是時鐘信號中的抖動仍會在組件的輸出上產生抖動。這是由于在其他組件中鎖存和觸發位轉換時發生錯誤。
當您擁有多個系統時鐘時，最后一點將變得更加困難，并且您需要確定對抖動影響最大的時鐘。對于系統時鐘，或來自單個源的多條時鐘線，您可能可以查明特定組件的抖動源。通常，多個時鐘會在PDN上造成瞬態紋波，然后在系統中的其他位置造成抖動。自然抖動也有一個下限，這與瞬態紋波無關。這只能通過使用PLL鎖定到更穩定的參考振蕩器來清除。最終，一個PDN部分（例如5 V）上的噪聲可能會在另一PDN部分（例如3.3 V）上產生噪聲。
如果您可以測量抖動和電源噪聲，則可以確定對組件抖動影響最大的噪聲源。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
對于某些示波器來說，測量抖動非常困難，因為它在觀察波形時依賴于邊沿觸發。從視覺上看，在觀察示波器跡線時抖動并不明顯，確定抖動可能需要手動平移并疊加多個信號跡線，以量化抖動。這就是為什么量化電源噪聲及其抖動的標準方法是使用高質量示波器收集眼圖的原因。
眼圖測量顯示抖動和電平變化。
收集了特定組件的眼圖后，您可以將其與時域中PDN上紋波的直接測量值進行比較。這應該在多種情況下進行，因為瞬態紋波引起的電源噪聲不會增加。在這種情況下，PDN電壓波動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，請使用具有盡可能低衰減系數的探頭，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。
進行時域測量后，如果有多個有源組件，您將無法查看哪個開關組件或時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都將對應于某些組件或時鐘在指定頻率下的切換。然后，您可以采取措施來減少由所標識的組件產生的紋波，例如添加去耦/旁路電容器或確保相關PDN上的平面間電容更大。
一旦你隔離的電源噪聲的來源及其在PDN的效果，可以實現使用功能強大的PCB工具在任何需要的設計變更的Altium Designer ?。該應用程序為您提供創建和修改PCB設計所需的一切，并且您可以訪問PDN Analyzer應用程序。您將擁有設計強大的電子產品所需的一切。