本文將介紹：關(guān)于數(shù)字產(chǎn)品中電源軌噪聲如何影響數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)鐘抖動(dòng)。

背景

在數(shù)字電路中，一串二進(jìn)制的信號(hào)流是通過(guò)電壓（或電流）的波形來(lái)表示。然而，自然界的信號(hào)實(shí)際上都是模擬的，而非數(shù)字的，所有的信號(hào)都受噪音、扭曲和損失影響。信號(hào)完整性考慮的問(wèn)題主要有振鈴（ringing）、串?dāng)_（crosstalk）、接地反彈、扭曲(skew)、信號(hào)損失和電源供應(yīng)中的噪聲。--摘至于維基百科（信號(hào)完整性）。

精準(zhǔn)的周期性采樣時(shí)鐘是確保數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行正確通信的前提。如果時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生了偏移，將引起傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)流發(fā)生變化，比如造成時(shí)延、誤碼等等。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，隨著時(shí)鐘速率邁入GHz級(jí)，首要目標(biāo)是保證信號(hào)完整無(wú)失真地從源端傳送到接收端，往往電源完整性不佳就會(huì)影響時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)而引起信號(hào)完整性問(wèn)題。

高速數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不單單包含信號(hào)完整性問(wèn)題，還包含電源完整性問(wèn)題，而對(duì)數(shù)字系統(tǒng)中的電源軌噪聲進(jìn)行評(píng)估，將直接反映電源完整性的好壞，本文將介紹數(shù)字產(chǎn)品中電源軌噪聲如何影響系統(tǒng)中時(shí)鐘抖動(dòng)。

數(shù)字產(chǎn)品中電源軌噪聲與時(shí)鐘抖動(dòng)是關(guān)聯(lián)的

數(shù)字電路中的直流電壓也就是電源軌波形往往看起來(lái)像是純凈平直，然而當(dāng)我們通過(guò)示波器放大后發(fā)現(xiàn)其實(shí)不是，電源軌上是存在交流波動(dòng)成分的。

除了由開(kāi)關(guān)電源引入的波動(dòng)外，電源軌也會(huì)受耦合噪聲的干擾，當(dāng)PDN上發(fā)生振鈴時(shí)，會(huì)影響芯片輸出的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生偏移，時(shí)鐘信號(hào)上升沿發(fā)生的偏移就是我們俗稱的抖動(dòng)Jitter。

數(shù)字系統(tǒng)中的芯片通常由CMOS集成電路組成，其開(kāi)關(guān)閾值會(huì)受電源軌的噪聲影響而波動(dòng)，進(jìn)而引起了系統(tǒng)輸出時(shí)鐘或數(shù)據(jù)的抖動(dòng)。

由下圖可以看出，電源軌噪聲波動(dòng)的大小將對(duì)抖動(dòng)大小帶來(lái)影響，電源軌波動(dòng)越小引起時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)Jitter也會(huì)越小。

電源軌噪聲與時(shí)鐘信號(hào)斜率的比值決定了抖動(dòng)的大小，電源軌噪聲與抖動(dòng)的關(guān)系可由以下公式描述：

如果要對(duì)抖動(dòng)的影響進(jìn)行驗(yàn)證，就要準(zhǔn)確測(cè)量電源軌噪聲。但是在如今的電子產(chǎn)品中對(duì)電源完整性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估充滿挑戰(zhàn)。以最為常見(jiàn)的數(shù)字電子產(chǎn)品手機(jī)為例，隨著手機(jī)發(fā)展的演變，體積越來(lái)越小，而內(nèi)部IC集成度越來(lái)越高，電流密度越來(lái)越大，而功耗卻在降低，從而要求輸入電壓也在降低(從典型的5V、3V減小至1V)，甚至電壓容限也在降低(10%減小到5%，甚至是1%)。這就會(huì)給電源軌測(cè)量造成挑戰(zhàn)。

R&S RT-ZPR電源軌探頭是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的最佳選擇，它不僅具備極低的系統(tǒng)噪聲（衰減比1:1），也具備2GHz/4GHz高帶寬范圍，可以測(cè)量更高頻率范圍的電源軌噪聲。

以實(shí)際測(cè)量為例：使用RT-ZPR電源軌探頭和傳統(tǒng)RT-ZP1X紋波探頭測(cè)試直流電壓Vpp對(duì)比：

38 MHz帶寬1:1無(wú)源探頭RT-ZP1X會(huì)遺漏高頻成分，不能顯示尖峰的存在，從而低估Vpp測(cè)量值。但使用同樣衰減比而帶寬高達(dá)2 GHz的電源軌探頭RT-ZPR20可以捕獲并測(cè)量高頻瞬態(tài)，還能擁有極低的噪聲，不難看出針對(duì)高頻瞬變需要高帶寬電源軌探頭才能測(cè)量出正確的Vpp值。

綜上所述，電源軌信號(hào)并非是完全平直的，它會(huì)受到噪聲干擾，進(jìn)而影響系統(tǒng)時(shí)鐘的穩(wěn)定。當(dāng)今數(shù)字產(chǎn)品中電源軌電壓越來(lái)越低，同時(shí)要求的容限也越來(lái)越嚴(yán)苛，從而對(duì)測(cè)量電源軌信號(hào)造成挑戰(zhàn)。羅德與施瓦茨的電源軌探頭RT-ZPR充分應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，可以進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量 (高帶寬，高靈敏度，低噪聲和大偏置補(bǔ)償)。下一期我們將用一個(gè)測(cè)量案例繼續(xù)說(shuō)明電源軌噪聲對(duì)數(shù)字產(chǎn)品抖動(dòng)的影響。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來(lái)，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過(guò)發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國(guó)慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長(zhǎng)期、可持續(xù)地開(kāi)展業(yè)務(wù)。