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信號完整性分析基礎系列之九--時(shí)鐘的抖動(dòng)測量與分析
作者：
時(shí)間：2017-01-05
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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圖5：使用模擬余輝加直方圖來(lái)測量抖動(dòng)
隨著(zhù)測試儀器技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，目前，示波器的抖動(dòng)分析軟件不再是測量一兩個(gè)周期波形后分析抖動(dòng)，而是一次測量多個(gè)連續比特位，計算與統計所有比特位的抖動(dòng)，測量的數據量非常大、效率非常高。如下圖6所示為某50MHz時(shí)鐘的Period抖動(dòng)測試，示波器的抖動(dòng)測試軟件可以一次測量所有周期的周期值，計算出抖動(dòng)的峰峰值與有效值。
圖6：連續比特位的抖動(dòng)測量方法
將已測量的每個(gè)周期的抖動(dòng)值做直方圖，可以統計大數據量的抖動(dòng)的峰峰值和RMS值，如下圖7所示為某時(shí)鐘周期抖動(dòng)的直方圖分析，樣本數量為103k個(gè)i，周期抖動(dòng)的峰峰值為80.45皮秒，周期抖動(dòng)的RMS值為9.25皮秒。
圖7：在抖動(dòng)直方圖中測量峰峰值和有效值
相位噪聲與TIE抖動(dòng)
在一些時(shí)鐘芯片的數據手冊上規定了相位噪聲（phase noise）的指標要求，相噪可以理解為T(mén)IE抖動(dòng)在頻域的表達方式，通常是使用某些頻譜儀或相噪測試儀測量出來(lái)的，單位通常為dBc/Hz，比如某頻率為1MHz的晶振的相噪為：-145dBc/Hz @100Hz -160dBc/Hz @1kHz -165dBc/Hz @10kHz 如圖8所示為該時(shí)鐘的頻譜，在頻點(diǎn)fc+100Hz 的功率與fc頻點(diǎn)（即時(shí)鐘頻率）的功率的比值取對數后為-145dB，在頻點(diǎn)fc+1kHz的功率與時(shí)鐘頻率的功率之比為-160dB，在頻點(diǎn)fc+10kHz的功率與時(shí)鐘頻率的功率之比為-165dB。在安裝了相噪分析軟件的頻譜儀（或者相噪儀）上，通過(guò)對圖8的陰影部分的求面積后進(jìn)行簡(jiǎn)單運算，可以得到該時(shí)鐘從100Hz到10kHz的TIE的RMS抖動(dòng)值。對于某些精準的晶振，在某頻段內的RMS抖動(dòng)可以小于幾百fs。由于實(shí)時(shí)示波器的抖動(dòng)噪聲基底大約在2ps左右，對于這類(lèi)晶振的抖動(dòng)測試，無(wú)法使用實(shí)時(shí)示波器的測量到，必須使用頻譜儀或相噪儀測量。關(guān)于相位噪聲與TIE抖動(dòng)的換算，可以參考相噪測試儀廠(chǎng)商的技術(shù)文檔。
時(shí)鐘抖動(dòng)的分析
在時(shí)鐘抖動(dòng)測量時(shí)，可以在三個(gè)域分析抖動(dòng)，即在時(shí)域分析抖動(dòng)追蹤（jitter track/trend）、在頻域觀(guān)察抖動(dòng)的頻譜、在統計域分析抖動(dòng)的直方圖。如下圖9所示，左上角的F2為某100MHz時(shí)鐘，P1是時(shí)鐘的TIE參數測量；右上角的F3是TIE抖動(dòng)的直方圖，直方圖不是高斯分布，可見(jiàn)時(shí)鐘存在固有抖動(dòng)。
圖9：時(shí)鐘抖動(dòng)在時(shí)域、頻譜、統計域的分析
左下角的F4為T(mén)IE track（即TIE抖動(dòng)隨時(shí)間變化的趨勢），從TIE Track中可以看到周期性的變化趨勢；右下角的F5是F4的FFT運算，即抖動(dòng)的頻譜，頻譜的峰值頻率為515kHz，說(shuō)明該時(shí)鐘的周期性抖動(dòng)（Pj）的主要來(lái)源為515kHz，找到頻點(diǎn)后，可以查找電路板上主頻或諧波為該頻率的芯片和PCB走線(xiàn)，進(jìn)一步調試與分析。
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