要找出位錯(cuò)誤的根本原因，抖動(dòng)分析是最好的起點(diǎn)，但在某些情況下，電源軌分析可以幫助找到真正的根本原因。為了深入了解位錯(cuò)誤，我們?cè)跁r(shí)域和頻域中查看抖動(dòng)和電源軌噪聲。將 TIE 頻譜中的 PJ（周期性抖動(dòng)）頻率與功率紋波頻譜中的雜散頻率進(jìn)行比較，是識(shí)別 PDN（配電網(wǎng)絡(luò)）引起的信號(hào)完整性問(wèn)題的一種快速而準(zhǔn)確的方法。

SI 和 PI 導(dǎo)致錯(cuò)誤

數(shù)字錯(cuò)誤是由抖動(dòng)和噪聲引起的。噪聲是信號(hào)幅度變化的廣義術(shù)語(yǔ)。抖動(dòng)是位轉(zhuǎn)換時(shí)序相對(duì)于數(shù)據(jù)速率時(shí)鐘的變化，即所謂的時(shí)間間隔誤差。抖動(dòng)是由相位噪聲和幅度噪聲-抖動(dòng)轉(zhuǎn)換引起的。噪聲抖動(dòng)引入了串?dāng)_、EMI（電磁干擾）和隨機(jī)噪聲等問(wèn)題。

信號(hào)完整性分析側(cè)重于發(fā)送器、參考時(shí)鐘、信道和接收器在 BER（誤碼率）方面的性能。電源完整性側(cè)重于 PDN 提供恒定電壓電源軌和低阻抗返回路徑的能力。SI 和 PI 具有廣泛的相互依賴性。PDN 會(huì)導(dǎo)致噪聲和抖動(dòng)。電路設(shè)計(jì)和組件——芯片封裝、引腳、走線、過(guò)孔、連接器——會(huì)影響 PDN 的阻抗，從而影響供電的質(zhì)量。

調(diào)試 SI 問(wèn)題從眼圖開(kāi)始

硬件調(diào)試可以從眼圖分析開(kāi)始。眼圖由相對(duì)于時(shí)鐘的重疊波形組成，圖 1。

圖 1：帶有模板測(cè)試的眼圖（頂部）和對(duì)應(yīng)的波形（底部）。

交叉點(diǎn)的水平寬度表示抖動(dòng)，眼圖頂部和底部的垂直寬度表示噪聲。睜大眼圖應(yīng)對(duì)應(yīng)于低 BER。如果 BER 太高，下一步是執(zhí)行抖動(dòng)分析。圖 2 將抖動(dòng)分解為各個(gè)分量和子分量，圖 3 顯示了抖動(dòng)匯總測(cè)量，包括浴盆圖、眼圖、TIE 頻譜和直方圖、抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果和波形。

圖 2：抖動(dòng)分解為其組成部分。

圖 3：抖動(dòng)摘要屏幕截圖，從左上角順時(shí)針?lè)较颍涸「讏D、眼圖、TIE 頻譜、抖動(dòng)分析結(jié)果、波形、TIE 直方圖。

抖動(dòng)的分解始于將 TIE 分布分離為其隨機(jī)和確定性分量、RJ（隨機(jī)抖動(dòng)）和 DJ（確定性抖動(dòng)）。DJ 進(jìn)一步分為與數(shù)據(jù)中的比特序列相關(guān)的抖動(dòng)——DDJ（數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)）——和不相關(guān)的抖動(dòng)，例如 PJ（周期性抖動(dòng)）。

眼圖上的廣泛交叉可以指示 RJ。看起來(lái)由許多幾乎不同的線組成的眼睛表示 DDJ，這可能是由于信號(hào)路徑中的阻抗不匹配造成的。需要更詳細(xì)的測(cè)量來(lái)識(shí)別可以指示硬件錯(cuò)誤的抖動(dòng)類型：TIE、RJ、DJ、DDJ、PJ、TJ（總抖動(dòng)）、EH（眼高）、EW（眼寬）、眼高和眼低的。表 1 列出了不同類型的抖動(dòng)和一些原因。電源軌紋波是 PJ 的常見(jiàn)原因，有時(shí)也是 RJ。

表 1：帶有常見(jiàn)原因示例的抖動(dòng)測(cè)量。

抖動(dòng)和配電網(wǎng)絡(luò)

PDN 的工作是維持恒定電壓并為系統(tǒng)中的組件提供足夠的電流。它會(huì)影響每個(gè)元素的性能，無(wú)論是主動(dòng)還是被動(dòng)。PDN 包括整個(gè)系統(tǒng)，不僅是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部芯片電源分配，還包括每個(gè)互連、走線、過(guò)孔、連接器、電容器、封裝、引腳和球柵。

紋波對(duì)隨機(jī)和周期性抖動(dòng)的影響

電源軌噪聲，通常稱為紋波，通常為幾毫伏。在 GHz 頻率下準(zhǔn)確測(cè)量電源軌上的 mV 噪聲需要具有高直流阻抗的高帶寬探頭，在高頻下充當(dāng) 50 Ω 傳輸線。電源軌探頭專門為此目的而設(shè)計(jì)。

開(kāi)關(guān)模式電源通過(guò)在低耗散開(kāi)和關(guān)狀態(tài)之間連續(xù)切換來(lái)調(diào)節(jié)電源軌和返回路徑（也稱為“接地”）之間的電壓。不幸的是，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件的脈沖會(huì)引起“開(kāi)關(guān)噪聲”并導(dǎo)致 PJ。

開(kāi)關(guān)發(fā)生在固定頻率，應(yīng)記錄在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中。如果紋波頻譜（圖 4 左上角）和 TIE 頻譜（就在其下方）在開(kāi)關(guān)頻率或開(kāi)關(guān)頻率諧波處都有雜散，那么我們就知道來(lái)源并可以解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。請(qǐng)注意圖 4 中紅色標(biāo)記處的大重合雜散。 TIE 頻譜右側(cè)的 TIE 直方圖具有標(biāo)志性的正弦抖動(dòng)分布（馬蹄形），PJ 在一個(gè)頻率。

圖 4：左上角頻譜視圖中的電源軌紋波，其下方的 TIE 頻譜，以及信號(hào)和電源軌波形以及 TIE 直方圖。

電源會(huì)引入有助于 RJ 的隨機(jī)噪聲。電源軌隨機(jī)噪聲顯示為圖 4 左上角頻譜視圖圖的本底噪聲。 RJ 是根據(jù) TIE 頻譜的本底噪聲計(jì)算得出的。在本例中，電源紋波引起的隨機(jī)噪聲非常低，RJ 很小，約為 0.84 ps。

睡衣和地面彈跳

在邏輯轉(zhuǎn)換期間，發(fā)送器和接收器從 PDN 提供或吸收電流。當(dāng)多個(gè)信號(hào)同時(shí)在電平之間切換時(shí)，它們可以在電源軌和/或接地平面上沉積或移除大量電荷。電荷密度的短期引入改變了導(dǎo)體兩端的公共接地電壓。由此產(chǎn)生的電壓變化稱為接地反彈，或等效地稱為同步開(kāi)關(guān)噪聲 (SSN)。

在繼續(xù)之前，我們應(yīng)該澄清一些事情。首先，“接地”指的是返回路徑所需的公共參考電壓，通常定義為 0 V。其次，“同時(shí)”意味著組件在其上升/下降時(shí)間重疊。

SSN 在時(shí)域中看起來(lái)是隨機(jī)的，但在頻域中卻不是。數(shù)據(jù)信號(hào)由許多頻率分量組成——基頻或奈奎斯特頻率，可能多達(dá)兩個(gè)高次諧波，加上來(lái)自連續(xù)相同位的次諧波。可以在這些頻率中的任何一個(gè)頻率上同時(shí)進(jìn)行切換。因此，SSN 是具有許多可導(dǎo)致 PJ 的低幅度雜散的周期性噪聲。

要確認(rèn) PJ 是由 SSN 引起的，請(qǐng)將圖 5 左上角的電源軌頻譜與其正下方的 TIE 頻譜進(jìn)行比較。在兩個(gè)頻譜中出現(xiàn)在相同頻率的高幅度雜散表明 SSN 有很大的 PJ 貢獻(xiàn)。

圖 5：(a) 電源軌紋波頻譜和 (b) TIE/抖動(dòng)頻譜。

概括

信號(hào)完整性和電源完整性是一個(gè)反饋回路。網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)元素、每個(gè)走線、過(guò)孔、連接器、引腳、封裝等都會(huì)影響 PDN 阻抗和每個(gè)通道的阻抗，每個(gè)有源組件都可以改變電源軌和接地層的電壓。

眼圖可以告訴我們很多關(guān)于信號(hào)完整性的信息，但它很少幫助我們識(shí)別特定問(wèn)題。對(duì) TIE 分布的分析將抖動(dòng)分解為提供問(wèn)題所在線索的組件。高 RJ 通常意味著嘈雜的時(shí)鐘，但它也可以表示來(lái)自電源的隨機(jī)噪聲。

PJ 可以指示有故障的時(shí)鐘、電源開(kāi)關(guān)噪聲或地彈/SSN。將電源軌紋波頻譜與 TIE 頻譜進(jìn)行比較可以通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)隔離問(wèn)題。TIE 頻譜中的雜散在電源軌頻譜中沒(méi)有任何相應(yīng)的雜散指示時(shí)鐘；兩個(gè)頻譜中相同頻率的一個(gè)或兩個(gè)雜散表示電源開(kāi)關(guān)噪聲；并且兩個(gè)頻譜共有的大量雜散表明 SSN。在這些情況中的每一種情況下，結(jié)合抖動(dòng)和功率分析可以隔離其他困難的問(wèn)題。

信號(hào)完整性和電源完整性通常被視為獨(dú)立的學(xué)科，但我們已經(jīng)看到，發(fā)現(xiàn)與高抖動(dòng)相關(guān)的問(wèn)題需要同時(shí)了解兩者。

審核編輯：郭婷