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技術(shù)專題
如何對(duì)高速PCB設(shè)計(jì)信號(hào)進(jìn)行相位噪聲測(cè)量
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(diào)試具有高BER的高速電路板，則可能需要從出現(xiàn)故障的電路板部分或時(shí)鐘中收集相位噪聲測(cè)量值。
不必太深入系統(tǒng)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(nèi)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(jī)信號(hào)傾斜。當(dāng)此抖動(dòng)的來源不明顯時(shí)，您將想要收集可疑組件的相位噪聲測(cè)量值，既可以作為單獨(dú)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(shù)數(shù)字設(shè)計(jì)人員使用術(shù)語“抖動(dòng)”來指代定時(shí)噪聲，其中在互連上發(fā)射信號(hào)的時(shí)間有所不同。模擬設(shè)計(jì)師更可能使用術(shù)語“相位噪聲”，這意味著模擬信號(hào)與其參考噪聲之間的相位差會(huì)隨機(jī)變化。這些術(shù)語相互關(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(hào)時(shí)序的變化。
在頻域中，相位噪聲測(cè)量可能類似于下圖所示。在此，以f0的載波頻率發(fā)出信號(hào)，而在f1處以較弱的頻率發(fā)出信號(hào)。f0上存在相位噪聲會(huì)有效地增加信號(hào)的帶寬并提高本底噪聲。如果f1處的信號(hào)足夠弱，則該信號(hào)將隱藏在f0的相位噪聲之后。
頻域中的示例相位噪聲測(cè)量
抖動(dòng)是在時(shí)域中看到的相位噪聲的表現(xiàn)。抖動(dòng)可以直接在眼圖中看到，并且易于識(shí)別。通常，RMS抖動(dòng)是用于量化可接受的BER值的重要參數(shù)是什么促使需要進(jìn)行相位噪聲測(cè)量？如果您使用的是數(shù)字系統(tǒng)，并且在眼圖中發(fā)現(xiàn)抖動(dòng)，則需要確定會(huì)導(dǎo)致設(shè)備抖動(dòng)的最強(qiáng)相位噪聲源。診斷模擬信號(hào)的相位噪聲就像將額定帶寬與測(cè)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(yù)期在系統(tǒng)中看到的相位噪聲的下限。如果相位噪聲似乎是一個(gè)問題，請(qǐng)檢查數(shù)據(jù)表中的時(shí)鐘/參考振蕩器。如果固有的振蕩器噪聲占您測(cè)得的相位噪聲的大部分，那么您可能只需要一個(gè)更穩(wěn)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(cè)量值。相位噪聲也可以通過使用測(cè)試夾具連接到DUT的頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量（確保對(duì)連接器的S參數(shù)進(jìn)行去嵌入）。在這里，您正在測(cè)量功率譜密度，因此，您測(cè)量的相位噪聲是測(cè)量帶寬的函數(shù)。公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是在1 Hz帶寬內(nèi)收集連續(xù)的測(cè)量值。
在解釋相位噪聲測(cè)量值時(shí)，您的目標(biāo)是確定最突出的噪聲源，并逐步減少它們。產(chǎn)生抖動(dòng)的四種常見相位噪聲源是：
源組件的PDN上的瞬態(tài)振鈴過多。衡量這一點(diǎn)無害。
噪聲從開關(guān)模式電源耦合到數(shù)據(jù)流或系統(tǒng)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(shù)的較大變化。通過使用具有更緊密纖維編織的基材來解決此問題。
參考振蕩器固有的相位噪聲，或系統(tǒng)時(shí)鐘固有的抖動(dòng)。在帶有PLL的超快速系統(tǒng)中，通常會(huì)減少這些誤差。
這里的目標(biāo)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(tǒng)符合規(guī)范，請(qǐng)考慮完成您的工作。無論您的時(shí)鐘/參考振蕩器的Q值是多少，系統(tǒng)中總會(huì)有一定的相位噪聲。但是，如果您可以在規(guī)格范圍內(nèi)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地發(fā)現(xiàn)罪魁禍?zhǔn)?，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(cè)量。
相位噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)[圖像源
請(qǐng)注意，上圖中的強(qiáng)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(guī)格進(jìn)行比較。可以通過以-10 dBc / Hz的斜率穿過相位噪聲規(guī)范點(diǎn)來畫一條線來完成。超過此線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(shè)計(jì)中加以抑制。
可以使用以下公式根據(jù)RMS相位抖動(dòng)值來量化可接受的相位噪聲電平。請(qǐng)注意，L（f）是對(duì)數(shù)相位噪聲數(shù)據(jù)，因此10的奇數(shù)因子出現(xiàn)在積分中，以將其轉(zhuǎn)換回線性數(shù)據(jù)集。此處的積分取自相關(guān)信號(hào)范圍。
根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出的RMS相位噪聲