內建式抖動(dòng)測量技術(shù)（中）

作者：時(shí)間：2017-01-09 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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《圖十抖動(dòng)放大電路時(shí)序圖：(a)Case 1 : tf>ts2；(b)Case 2 : tf≈ts2；(c)Case 3 : tf

所以在此頻段操作因有足夠的穩態(tài)區間（stable region），其經(jīng)決策電路后產(chǎn)生之輸出相位差fOUT相較于輸入相位差fIN幾乎能維持定值，也就代表放大倍率A為constant。但若當待測時(shí)脈頻率上升后，如圖十(b)所示，隨著(zhù)訊號周期縮短tf之發(fā)生點(diǎn)提前，在tf非常接近但大于ts2時(shí)，抖動(dòng)放大電路依然可勉強維持住放大倍率，所以此時(shí)即稱(chēng)為操作臨界值。但假若不幸在所使用的應用中tf發(fā)生較大的變異或是操作頻率繼續往上升，導致ts2比tf晚發(fā)生，則放大倍率將開(kāi)始產(chǎn)生非線(xiàn)性的變化。

從圖十(c)可觀(guān)察出在正常的操作模式下f1與f2最后皆會(huì )回到穩態(tài)位準VH、VL。但假若轉態(tài)邊緣tf在尚未穩定前就出現，則f1與f2之電壓會(huì )被強制維持在新的位準上，也就是VH’（=VH-ΔV）與VL’（= VL +ΔV）。這個(gè)現象雖對于第一個(gè)周期（initial stage）之放大倍率沒(méi)有造成影響，但是從圖中得知，在下一個(gè)周期（next stage）中因為f1、f2電壓起始位準點(diǎn)有了變化，所以經(jīng)充電后與臨界電壓Vth的交點(diǎn)必然隨之改變。換句話(huà)說(shuō)就是voltage domain variation將轉換成time domain之phase error，此時(shí)即會(huì )造成放大倍率變動(dòng)。因此周期對周期抖動(dòng)放大電路需操作在wide range之應用時(shí)，就必需利用一些機制控制穩態(tài)時(shí)間點(diǎn)ts比負緣轉態(tài)點(diǎn) tf早發(fā)生，如此才不會(huì )造成放大倍率的失真。有鑒于此，本文將提出一個(gè)使用脈波吞噬觀(guān)念之單擷取量測方式來(lái)改善之。

脈波吞噬之單擷取量測方式

《圖十一脈波吞噬概念圖》

以上述討論可知，若要實(shí)現tsf，不外乎是將穩態(tài)時(shí)間點(diǎn)往前拉會(huì )或者是延遲負緣轉態(tài)點(diǎn)產(chǎn)生之時(shí)間。以電路實(shí)現角度而言，因ts是電流對負載充電后所產(chǎn)生的電壓與高電位VH之交集，所以電流越大、回到穩態(tài)點(diǎn)能力越強，相對其出現時(shí)間會(huì )越早。但抖動(dòng)放大的產(chǎn)生就是藉由不同速率電流之差所得，想必然放大倍率也將受到影響。所以為了兼顧放大倍率與電流量間trade-off，本文將采用延遲tf之作法來(lái)維持不同操作頻率下的抖動(dòng)放大倍率。

如圖十一case1所示為一低頻操作時(shí)的示意圖。為了讓抖動(dòng)放大電路的放大倍率維持定值，待測訊號的ts必需小于tf，而worst case會(huì )發(fā)生在ts等于tf的時(shí)間點(diǎn)，此時(shí)穩態(tài)區間幾乎會(huì )近似于零，也就是說(shuō)放大倍率會(huì )非常不穩定。

為了改善這個(gè)問(wèn)題，以先前的說(shuō)法就必需將tf時(shí)間點(diǎn)做延遲。簡(jiǎn)單來(lái)看就是把測試速度放慢，利用脈波吞噬電路移除掉0.5個(gè)周期，來(lái)?yè)Q取穩態(tài)區間之寬度。如圖所示，若把case1的訊號做處理后成為T(mén)AIn1，其負緣轉態(tài)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間往后延遲了Δτ（=tfn-tf=Tcycle/2），這代表著(zhù)穩態(tài)區間隨之放大2倍。因此若把待測訊號的頻率增加后，其因具有足夠的穩態(tài)時(shí)間，所以放大倍率將不受到clock variation和頻率變動(dòng)之影響。

但在圖十一 Case2中，待測時(shí)脈訊號操作速度持續上升（約為Case1的兩倍），可以很明顯觀(guān)察到若不采用脈波吞噬機制，ts已遠遠超越了tf，此時(shí)抖動(dòng)放大電路之放大倍率已為非線(xiàn)性操作；但若加入脈波吞噬的機制后，因待測訊號速度太快，在相同充放電的速率條件下，ts也非?？拷黷fn，放大倍率變異的問(wèn)題還是存在。所以由此可知真正要達到wide range的操作，不管在任何頻率下，皆需要擁有相同的穩態(tài)區間，才會(huì )真正得到constant之放大倍率。有鑒于此，我們將脈波吞噬的機制稍做修改，將不再維持固定移除0.5個(gè)周期，而是隨著(zhù)待測物的頻率每增加一倍而隨之變化，其remove number可由公式二表示之：

《公式二》

其中N為頻率變化率。在本文中所提出的例子因為要達到數十MHz~1.6GHz之操作，所以將100MHz定為基準，頻率每增加一倍就必需改變r(jià)emove number來(lái)維持放大倍率。如圖十二所示。

《圖十二于各操作頻段間之脈波吞噬概念圖》

以電路的角度而言，要實(shí)現圖十二脈波吞噬電路其實(shí)不難，只要將待測訊號依頻段經(jīng)過(guò)相對應的除頻器即可實(shí)現。但實(shí)際上若直接把待測訊號經(jīng)過(guò)除頻器來(lái)達到脈波吞噬，依參考文獻[9]之說(shuō)法，該訊號的抖動(dòng)也同時(shí)間會(huì )被放大，約為 √n倍。此外，除16的電路最少需要4組DFF來(lái)實(shí)現，代表待測訊號到達抖動(dòng)放大電路前就必需經(jīng)過(guò)許多transistor，進(jìn)而受到power noise或是thermal noise干擾導致抖動(dòng)上升，這將會(huì )嚴重影響量測準確度。

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