信號完整性分析基礎(chǔ)系列之九--時鐘的抖動測量與分析
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圖5：使用模擬余輝加直方圖來測量抖動
隨著測試儀器技術(shù)的發(fā)展與進步，目前，示波器的抖動分析軟件不再是測量一兩個周期波形后分析抖動，而是一次測量多個連續(xù)比特位，計算與統(tǒng)計所有比特位的抖動，測量的數(shù)據(jù)量非常大、效率非常高。如下圖6所示為某50MHz時鐘的Period抖動測試，示波器的抖動測試軟件可以一次測量所有周期的周期值，計算出抖動的峰峰值與有效值。
圖6：連續(xù)比特位的抖動測量方法
將已測量的每個周期的抖動值做直方圖，可以統(tǒng)計大數(shù)據(jù)量的抖動的峰峰值和RMS值，如下圖7所示為某時鐘周期抖動的直方圖分析，樣本數(shù)量為103k個i，周期抖動的峰峰值為80.45皮秒，周期抖動的RMS值為9.25皮秒。
圖7：在抖動直方圖中測量峰峰值和有效值
相位噪聲與TIE抖動
在一些時鐘芯片的數(shù)據(jù)手冊上規(guī)定了相位噪聲（phase noise）的指標要求，相噪可以理解為TIE抖動在頻域的表達方式，通常是使用某些頻譜儀或相噪測試儀測量出來的，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所示為該時鐘的頻譜，在頻點fc+100Hz 的功率與fc頻點（即時鐘頻率）的功率的比值取對數(shù)后為-145dB，在頻點fc+1kHz的功率與時鐘頻率的功率之比為-160dB，在頻點fc+10kHz的功率與時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，通過對圖8的陰影部分的求面積后進行簡單運算，可以得到該時鐘從100Hz到10kHz的TIE的RMS抖動值。對于某些精準的晶振，在某頻段內(nèi)的RMS抖動可以小于幾百fs。由于實時示波器的抖動噪聲基底大約在2ps左右，對于這類晶振的抖動測試，無法使用實時示波器的測量到，必須使用頻譜儀或相噪儀測量。關(guān)于相位噪聲與TIE抖動的換算，可以參考相噪測試儀廠商的技術(shù)文檔。
時鐘抖動的分析
在時鐘抖動測量時，可以在三個域分析抖動，即在時域分析抖動追蹤（jitter track/trend）、在頻域觀察抖動的頻譜、在統(tǒng)計域分析抖動的直方圖。如下圖9所示，左上角的F2為某100MHz時鐘，P1是時鐘的TIE參數(shù)測量；右上角的F3是TIE抖動的直方圖，直方圖不是高斯分布，可見時鐘存在固有抖動。
圖9：時鐘抖動在時域、頻譜、統(tǒng)計域的分析
左下角的F4為TIE track（即TIE抖動隨時間變化的趨勢），從TIE Track中可以看到周期性的變化趨勢；右下角的F5是F4的FFT運算，即抖動的頻譜，頻譜的峰值頻率為515kHz，說明該時鐘的周期性抖動（Pj）的主要來源為515kHz，找到頻點后，可以查找電路板上主頻或諧波為該頻率的芯片和PCB走線，進一步調(diào)試與分析。
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