如何對高速PCB設計信號進(jìn)行相位噪聲測量

2020-07-04

PCB中有很多噪聲源，而相位噪聲可能是很難固定在實(shí)際板上的噪聲源之一。如果要調試具有高BER的高速電路板，則可能需要從出現故障的電路板部分或時(shí)鐘中收集相位噪聲測量值。

不必太深入系統的IC端，相位噪聲可能就是您正在使用的組件的固有屬性，例如SerDes組件內部的PLL。在其他情況下，電路板中的其他組件，布局甚至基板都會(huì )造成隨機信號傾斜。當此抖動(dòng)的來(lái)源不明顯時(shí)，您將想要收集可疑組件的相位噪聲測量值，既可以作為單獨的DUT，也可以在可疑板上使用。

什么是相位噪聲和抖動(dòng)？

大多數數字設計人員使用術(shù)語(yǔ)“抖動(dòng)”來(lái)指代定時(shí)噪聲，其中在互連上發(fā)射信號的時(shí)間有所不同。模擬設計師更可能使用術(shù)語(yǔ)“相位噪聲”，這意味著(zhù)模擬信號與其參考噪聲之間的相位差會(huì )隨機變化。這些術(shù)語(yǔ)相互關(guān)聯(lián)并且指的是同一件事：時(shí)域（抖動(dòng)）或頻域（相位噪聲）中信號時(shí)序的變化。

在頻域中，相位噪聲測量可能類(lèi)似于下圖所示。在此，以f0的載波頻率發(fā)出信號，而在f1處以較弱的頻率發(fā)出信號。f0上存在相位噪聲會(huì )有效地增加信號的帶寬并提高本底噪聲。如果f1處的信號足夠弱，則該信號將隱藏在f0的相位噪聲之后。

頻域中的示例相位噪聲測量

抖動(dòng)是在時(shí)域中看到的相位噪聲的表現。抖動(dòng)可以直接在眼圖中看到，并且易于識別。通常，RMS抖動(dòng)是用于量化可接受的BER值的重要參數是什么促使需要進(jìn)行相位噪聲測量？如果您使用的是數字系統，并且在眼圖中發(fā)現抖動(dòng)，則需要確定會(huì )導致設備抖動(dòng)的最強相位噪聲源。診斷模擬信號的相位噪聲就像將額定帶寬與測量的帶寬進(jìn)行比較一樣簡(jiǎn)單。

上面的最后一點(diǎn)表示可以預期在系統中看到的相位噪聲的下限。如果相位噪聲似乎是一個(gè)問(wèn)題，請檢查數據表中的時(shí)鐘/參考振蕩器。如果固有的振蕩器噪聲占您測得的相位噪聲的大部分，那么您可能只需要一個(gè)更穩定的振蕩器/ PLL。

可以使用帶有近場(chǎng)探頭的頻譜分析儀直接從板上采集相位噪聲測量值。相位噪聲也可以通過(guò)使用測試夾具連接到DUT的頻譜分析儀進(jìn)行測量（確保對連接器的S參數進(jìn)行去嵌入）。在這里，您正在測量功率譜密度，因此，您測量的相位噪聲是測量帶寬的函數。公認的標準是在1 Hz帶寬內收集連續的測量值。

在解釋相位噪聲測量值時(shí)，您的目標是確定最突出的噪聲源，并逐步減少它們。產(chǎn)生抖動(dòng)的四種常見(jiàn)相位噪聲源是：

源組件的PDN上的瞬態(tài)振鈴過(guò)多。衡量這一點(diǎn)無(wú)害。

噪聲從開(kāi)關(guān)模式電源耦合到數據流或系統時(shí)鐘。

熱噪聲：在較高溫度下，相位噪聲會(huì )更大。散粒噪聲和1 / f噪聲也很重要。

基板介電常數的較大變化。通過(guò)使用具有更緊密纖維編織的基材來(lái)解決此問(wèn)題。

參考振蕩器固有的相位噪聲，或系統時(shí)鐘固有的抖動(dòng)。在帶有PLL的超快速系統中，通常會(huì )減少這些誤差。

這里的目標是確定最主要的相位噪聲源，并首先將其降低。如果這使您的系統符合規范，請考慮完成您的工作。無(wú)論您的時(shí)鐘/參考振蕩器的Q值是多少，系統中總會(huì )有一定的相位噪聲。但是，如果您可以在規格范圍內獲得BER值或其他性能要求，那么您就可以成功完成工作。

您可以在相位噪聲圖中直觀(guān)地發(fā)現罪魁禍首，并將其與電路板上的已知噪聲源進(jìn)行比較。下面顯示了帶有多個(gè)相位噪聲雜散的示例測量。

相位噪聲測量數據[圖像源

請注意，上圖中的強烈毛刺是由多種原因引起的?？梢詫⑸鲜鲈肼暸c電路板上相關(guān)組件的參考規格進(jìn)行比較?？梢酝ㄟ^(guò)以-10 dBc / Hz的斜率穿過(guò)相位噪聲規范點(diǎn)來(lái)畫(huà)一條線(xiàn)來(lái)完成。超過(guò)此線(xiàn)的噪聲頻譜的任何部分都將落在允許的相位噪聲容限之外，并且需要在設計中加以抑制。

可以使用以下公式根據RMS相位抖動(dòng)值來(lái)量化可接受的相位噪聲電平。請注意，L（f）是對數相位噪聲數據，因此10的奇數因子出現在積分中，以將其轉換回線(xiàn)性數據集。此處的積分取自相關(guān)信號范圍。

根據數據計算出的RMS相位噪聲