信號(hào)完整性分析基礎(chǔ)系列之九--時(shí)鐘的抖動(dòng)測(cè)量與分析
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圖5：使用模擬余輝加直方圖來(lái)測(cè)量抖動(dòng)
隨著測(cè)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(cè)量一兩個(gè)周期波形后分析抖動(dòng)，而是一次測(cè)量多個(gè)連續(xù)比特位，計(jì)算與統(tǒng)計(jì)所有比特位的抖動(dòng)，測(cè)量的數(shù)據(jù)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(cè)試，示波器的抖動(dòng)測(cè)試軟件可以一次測(cè)量所有周期的周期值，計(jì)算出抖動(dòng)的峰峰值與有效值。
圖6：連續(xù)比特位的抖動(dòng)測(cè)量方法
將已測(cè)量的每個(gè)周期的抖動(dòng)值做直方圖，可以統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)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(shù)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(cè)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(shù)據(jù)手冊(cè)上規(guī)定了相位噪聲（phase noise）的指標(biāo)要求，相噪可以理解為TIE抖動(dòng)在頻域的表達(dá)方式，通常是使用某些頻譜儀或相噪測(cè)試儀測(cè)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(duì)數(shù)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(duì)圖8的陰影部分的求面積后進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算，可以得到該時(shí)鐘從100Hz到10kHz的TIE的RMS抖動(dòng)值。對(duì)于某些精準(zhǔn)的晶振，在某頻段內(nèi)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(duì)于這類晶振的抖動(dòng)測(cè)試，無(wú)法使用實(shí)時(shí)示波器的測(cè)量到，必須使用頻譜儀或相噪儀測(cè)量。關(guān)于相位噪聲與TIE抖動(dòng)的換算，可以參考相噪測(cè)試儀廠商的技術(shù)文檔。
時(shí)鐘抖動(dòng)的分析
在時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)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）、在頻域觀察抖動(dòng)的頻譜、在統(tǒng)計(jì)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(shù)測(cè)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(tǒng)計(jì)域的分析
左下角的F4為TIE track（即TIE抖動(dòng)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)），從TIE Track中可以看到周期性的變化趨勢(shì)；右下角的F5是F4的FFT運(yùn)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，進(jìn)一步調(diào)試與分析。
評(píng)論