信号完整性分析基础系列之九--时钟的抖动测量与分析

2015-10-28 08:47:41   来源:eefocus   

关键字: 信号完整性分析  基础系列  时钟  抖动测量

    时钟是广泛用于计算机、通讯、消费电子产品的元器件,包括晶体振荡器和锁相环,主要用于系统收发数据的同步和锁存。如果时钟信号到达接收端时抖动较大,可能出现:并行总线中数据信号的建立和保持时间余量不够、串行信号接收端误码率高、系统不稳定等现象,因此时钟抖动的测量与分析非常重要。    

时钟抖动的分类与定义  
     时钟抖动通常分为时间间隔误差(Time Interval Error,简称TIE),周期抖动(Period Jitter)和相邻周期抖动(cycle to cycle jitter)三种抖动。 
    TIE又称为phase jitter,是信号在电平转换时,其边沿与理想时间位置的偏移量。理想时间位置可以从待测试时钟中恢复,或来自于其他参考时钟。Period Jitter是多个周期内对时钟周期的变化进行统计与测量的结果。Cycle to cycle jitter是时钟相邻周期的周期差值进行统计与测量的结果。 
    对于每一种时钟抖动进行统计和测量,可以得到其抖动的峰峰值和RMS值(有效值),峰峰值是所有样本中的抖动的最大值减去最小值,而RMS值是所有样本统计后的标准偏差。如下图1为某100M时钟的TIE、Period Jitter、Cycle to Cycle jitter的峰峰值和RMS值的计算方法。
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        图1:三种时钟抖动的计算方法 时钟抖动的应用范围 
    在三种时钟抖动中,在不同的应用范围需要重点测量与分析某类时钟抖动。TIE抖动是最常用的抖动指标,在很多芯片的数据手册上通常都规定了时钟TIE抖动的要求。对于串行收发器的参考时钟,通常测量其TIE抖动。如下图2所示,在2.5Gbps的串行收发器芯片的发送端,参考时钟为100MHz,锁相环25倍频到2.5GHz后,为Serializer(并行转串行电路)提供时钟。当参考时钟抖动减小时,TX输出的串行数据的抖动随之减小,因此,需要测量该参考时钟的TIE抖动。另外,用于射频电路的时钟通常也需测量其TIE抖动(相位抖动)。 
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     在并行总线系统中,通常重点关注period jitter和cycle to cycle jitter。比如在共同时钟总线(common clock bus)中(如图3所示),完整的数据传输需要两个时钟脉冲,第一个脉冲用于把数据锁存到发送芯片的IO Buffer,第二个脉冲将数据锁存到接收芯片中,在一个时钟周期内让数据从发送端传送到接收端,当发送端到接收端传输延迟(flight time)过大时,数据的建立时间不够,传输延迟过小时,数据的保持时间不够;同理,当这一个时钟的周期值偏大时,保持时间不够;周期值偏小时,建立时间不够。可见,时钟周期的变化直接影响建立保持时间,需要测量period jitter和cycle to cycle jitter。关于共同时钟总线的时序分析的详细讲解,请参考Stephen H. Hall、Garrett W. Hall和James A. McCall写的信号完整性分析书籍:《High-Speed Digital System Design》。
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    另外一种常见的并行电路-源同步总线(Source Synchronous bus),通常也重点测量period jitter和cycle to cycle jitter。比如DDR2就属于源同步总线,在Intel DDR2 667/800 JEDEC Specification Addendum规范中定义了时钟的抖动测试包括周期抖动和相邻周期抖动,分别如表格1中tJIT(per)和tJIT(cc),此外,还需要测量N-Cycle jitter,即N个周期的相邻周期抖动,比如表格1中tERR(2per)是连续2个周期的周期值与下2个周期的周期值的时间差,tERR(3per)是3个周期组合的相邻周期抖动,依此类推。
点击看大图

     表1:DDR2-667/800的时钟抖动要求 时钟抖动的来源和分解 
    时钟的抖动可以分为随机抖动(Random Jitter,简称Rj)和固有抖动(Deterministic jitter),随机抖动的来源为热噪声、Shot Noise和Flick Noise,与电子器件和半导体器件的电子和空穴特性有关,比如ECL工艺的PLL比TTL和CMOS工艺的PLL有更小的随机抖动;固定抖动的来源为:开关电源噪声、串扰、电磁干扰等等,与电路的设计有关,可以通过优化设计来改善,比如选择合适的电源滤波方案、合理的PCB布局和布线。 和串行数据的抖动分解很相似,时钟的抖动可以分为Dj和Rj。但不同的是,时钟的固有抖动中通常只有周期性抖动(Pj),不包括码间干扰(ISI)。当时钟的上下边沿都用来锁存数据时占空比时钟(DCD)计入固有抖动,否则不算固有抖动。
 时钟抖动测量方法  
     在上个世纪90年代,抖动的测量方法非常简单,示波器触发到时钟的一个上升沿,使用余辉模式,测量下一个上升沿余辉在判定电平上(通常为幅度的50%)的水平宽度。测量水平宽度有两种方法。 第一种使用游标测量波形边沿余辉的宽度,如下图4所示。由于像素偏差或屏幕分辨率(量化误差)会降低精度,而且引入了触发抖动,所以这种方法误差较大。
   点击看大图

     图4:使用模拟余辉加游标来测量抖动
    第二种使用直方图,对边沿余辉的水平方向进行直方图统计,如下图5所示。测量直方图的最左边到最右边的间距即为抖动的峰峰值(168皮秒)。这种方法的缺点是:引入了示波器的触发抖动;一次只测量一个周期,测试效率低,某些出现频率低的抖动在短时间内不能测量到。
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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/1028/article_13706.html
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