Лучшей отправной точкой для выяснения исходной причины появления битовых ошибок является анализ джиттера, но в некоторых случаях добраться до первопричины может помочь анализ сигналов схемы питания. Чтобы разобраться в битовых ошибках, мы рассмотрим джиттер и шум схемы питания как во временной, так и в частотной областях. Сравнение частот периодического джиттера (PJ) в спектре TIE с вызванными пульсациями выбросами в спектре сигнала питания является быстрым и точным способом определения проблем целостности сигнала в схеме питания.
ВЛИЯНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ СИГНАЛА И ЦЕЛОСТНОСТИ ПИТАНИЯ НА ОШИБКИ
Ошибки в цифровых сигналах вызываются джиттером и шумом. Шум — это широкий термин, обозначающий случайные непериодические изменения амплитуды сигнала. Джиттер — это изменение времени битовых переходов по отношению к периоду тактовой частоты передачи данных или так называемая ошибка временного интервала. Джиттер вызван как фазовым шумом, так и преобразованием амплитудного шума в джиттер. Преобразование шума в джиттер вызывает такие проблемы, как перекрестные помехи, ЭМП (электромагнитные помехи) и случайный шум.
Анализ целостности сигналов нацелен на исследование характеристик передатчика, генератора тактовой частоты, канала и приемника, где основным показателем является коэффициент битовых ошибок (BER). Целостность питания подразумевает способность схемы питания обеспечивать поддержание постоянного напряжения и низкий импеданс цепей питания и обратных проводников. Целостность сигнала и целостность питания находятся в большой зависимости друг от друга. В схеме питания может возникать шум и джиттер. Особенности схемотехники и используемые компоненты — корпуса микросхем, выводы, печатные проводники, переходные отверстия, разъемы — влияют на импеданс цепи питания и, следовательно, на качество подаваемого питания.
УСТРАНЕНИЕ ПРОБЛЕМ ЦЕЛОСТНОСТИ СИГНАЛА НАЧИНАЕТСЯ С ГЛАЗКОВОЙ ДИАГРАММЫ
Отладку аппаратной части можно начать с анализа глазковой диаграммы. Глазковая диаграмма — это суммарный вид всех битовых периодов измеряемого сигнала, наложенных друг на друга, см. рис. 1.
Рис. 1 Глазковая диаграмма с маской (сверху) и соответствующий сигнал (снизу)
Ширина области наложения по горизонтали соответствует джиттеру, а толщина верхней и нижней линий — шуму. Широко раскрытый глазок соответствует низкому BER. Если BER очень высок, то следующим шагом будет анализ джиттера. На рис. 2 показаны компоненты и подкомпоненты, из которых состоит джиттер.
Рис. 2 Разложение джиттера на компоненты
На рис. 3 показана сводка измеренных параметров джиттера, включая U-образную кривую, глазковую диаграмму, спектр TIE и гистограмму, численные значения и осциллограмму.
Разложение джиттера начинается с разделения распределения TIE на случайную и детерминированную составляющие, случайный джиттер (RJ) и детерминированный джиттер (DJ). DJ далее разделяется на джиттер, который коррелирован с последовательностью битов в данных — DDJ (джиттер, зависящий от данных), и некоррелированный джиттер, например, PJ (периодический джиттер).
Рис. 3 Снимок экрана со сводкой параметров джиттера, по часовой стрелке с верхнего угла: U-образная кривая, глазковая диаграмма, спектр TIE, результаты анализа джиттера, осциллограмма, гистограмма TIE
Ширина наложений на глазковых диаграммах соответствует величине RJ. Глазки, которые, как кажется, состоят из множества почти различимых линий, указывают на DDJ, вероятно, вызванный рассогласованием импеданса в сигнальном тракте. Для определения типов джиттера, которые могут указывать на ошибки в аппаратном обеспечении, необходимы более подробные измерения: TIE, RJ, DJ, DDJ, PJ, TJ (полный джиттер), EH (высота глазка), EW (ширина глазка), высокий уровень глазка и низкий уровень глазка. В таблице 1 перечислены типы джиттера и некоторые причины их появления. Пульсации в цепи питания являются общей причиной PJ, а иногда также RJ.
Таблица 1
ДЖИТТЕР И СХЕМА ПИТАНИЯ
Задачей схемы питания является поддержание стабильного напряжения и подача достаточного тока в компоненты системы. Это влияет на характеристики каждого компонента системы — активного или пассивного. В понятие схемы питания входят не только преобразователи постоянного тока и линии распределения питания внутри микросхемы, а каждое межсоединение, трасса, переходное отверстие, разъем, конденсатор, корпус, штырьковые и шариковые выводы.
ВЛИЯНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ НА СЛУЧАЙНЫЙ И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ДЖИТТЕР
Шум схемы питания, часто называемый пульсациями, обычно составляет несколько милливольт. Для точного измерения милливольтного шума цепей питания на частотах в несколько гигагерц требуются широкополосные пробники с высоким импедансом по постоянному току, которые действуют как 50-омные линии передачи на высоких частотах. Пробники шины питания разработаны специально для этой цели.
Импульсные источники питания регулируют напряжение между линией питания и обратным проводником (т. н. «земля») путем постоянного переключения между состояниями ВКЛ. и ОТКЛ. с низким уровнем рассеиваемой мощности. К сожалению, импульсы, которые управляют коммутирующими элементами, могут создавать шум коммутации и вызывать PJ.
Коммутация происходит на фиксированных частотах, которые должны быть указаны в перечне технических характеристик преобразователя постоянного тока. Если спектр пульсаций (в верхнем левом углу на рис. 4) и спектр TIE (прямо под ним) имеют выбросы на частотах коммутации или гармониках частот коммутации, то мы знаем их источники и можем найти их в схеме. Обратите внимание на большой совпадающий выброс, отмеченный красным маркером на рис. 4.
Рис. 4 Спектр шума схемы питания (верхний левый угол) и спектр TIE (прямо под ним), осциллограммы информационного сигнала и сигнала цепи питания, а также гистограмма TIE
Гистограмма TIE справа от спектра TIE имеет характерное распределение синусоидального джиттера (седлообразное), PJ на одной частоте.
Источники питания могут вносить случайный шум, который способствует возникновению RJ. Случайный шум схемы питания отображается в виде собственных шумов на спектрограмме в верхнем левом углу рис. 4. Значение RJ вычисляется из уровня собственных шумов на спектрограмме TIE. В этом примере случайный шум, возникший из-за пульсаций питания, очень мал, и RJ незначительный, около 0,84 пс.
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ДЖИТТЕР И ЗВОН ЗЕМЛИ
Во время логических переходов передатчики и приемники получают или потребляют ток из линии питания. При одновременном переключении уровня нескольких сигналов может происходить накопление или разрядка значительных зарядов или с линии питания и/или земли. Резкое изменение заряда вызывает падение напряжения на общем проводнике. Результирующее изменение напряжения называется звоном земли или, что эквивалентно, шумом коммутации (SSN).
Прежде чем продолжить, мы должны прояснить пару вещей. Во-первых, под «землей» мы подразумеваем общее опорное напряжение обратного проводника, которое обычно должно быть равным 0 В. Во-вторых, «одновременный» означает, что компоненты получают или отдают заряд во временном интервале, когда фронты их сигналов (нарастание/спад) перекрываются.
SSN выглядит случайным во временной области, но не в частотной. Сигналы передачи данных состоят из многих частотных составляющих — основной гармоники или частоты Найквиста и, возможно, двух высших гармоник, плюс субгармоники от последовательных идентичных битов. Одновременная коммутация может происходить на любой из этих частот. Таким образом, SSN — это периодический шум с многочисленными выбросами малой амплитуды, которые вызывают PJ.
Для подтверждения того, что PJ вызван SSN, сравните спектр сигнала линии питания в левом верхнем углу рис. 5 со спектром TIE прямо под ним. Выбросы большой амплитуды, появляющиеся на одинаковой частоте в обоих спектрах, указывают на большую долю PJ в SSN.
Рис. 5 Спектр пульсаций линии питания (а) и спектр TIE/джиттера (b)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Целостность сигнала и качество электропитания находятся в полной взаимосвязи. Каждый элемент схемы питания, каждая трасса, переходное отверстие, разъем, вывод, корпус и т. д. влияют на импеданс цепи питания и импеданс каждого канала, а каждый активный компонент может изменять напряжение цепи питания и земли.
Глазковая диаграмма может многое рассказать о целостности сигнала, но она редко помогает распознать специфические проблемы. Анализ распределения TIE подразумевает разложение джиттера на компоненты, которые дают ключ к разгадке проблем. Высокий RJ обычно указывает на шум тактового генератора, но он также может указывать на случайные шумы от источника питания.
PJ может указывать на неисправность тактового генератора, коммутационный шум источника питания или звон земли/SSN. Сравнивая спектр сигнала цепи питания со спектром TIE, можно выделить проблему в два этапа. Выбросы в спектре TIE без соответствующих выбросов в спектре сигнала цепи питания указывают на тактовый сигнал. Один или два выброса на одинаковых частотах в обоих спектрах указывают на шум коммутации, а большое количество выбросов, общих в обоих спектрах, указывает на SSN. В обоих этих случаях сочетание анализа джиттера и анализа схемы питания позволяет выделить сложные проблемы.
Целостность сигнала и качество электропитания часто считаются отдельными предметами, но мы показали, что для обнаружения проблем, связанных с большим джиттером, необходимо понимать и тот, и другой.
Материалы предоставлены представительством компании Tektronix в России.
Статья размещена в 1 номере журнала «Контрольно-измерительные приборы и системы» 2020 года.
