信号完整性分析基础系列之九--时钟的抖动测量与分析

图5：使用模拟余辉加直方图来测量抖动
随着测试仪器技术的发展与进步，目前，示波器的抖动分析软件不再是测量一两个周期波形后分析抖动，而是一次测量多个连续比特位，计算与统计所有比特位的抖动，测量的数据量非常大、效率非常高。如下图6所示为某50MHz时钟的Period抖动测试，示波器的抖动测试软件可以一次测量所有周期的周期值，计算出抖动的峰峰值与有效值。


图6：连续比特位的抖动测量方法
将已测量的每个周期的抖动值做直方图，可以统计大数据量的抖动的峰峰值和RMS值，如下图7所示为某时钟周期抖动的直方图分析，样本数量为103k个i，周期抖动的峰峰值为80.45皮秒，周期抖动的RMS值为9.25皮秒。


图7：在抖动直方图中测量峰峰值和有效值

相位噪声与TIE抖动
在一些时钟芯片的数据手册上规定了相位噪声（phase noise）的指标要求，相噪可以理解为TIE抖动在频域的表达方式，通常是使用某些频谱仪或相噪测试仪测量出来的，单位通常为dBc/Hz，比如某频率为1MHz的晶振的相噪为：-145dBc/Hz @100Hz -160dBc/Hz @1kHz -165dBc/Hz @10kHz 如图8所示为该时钟的频谱，在频点fc+100Hz 的功率与fc频点（即时钟频率）的功率的比值取对数后为-145dB，在频点fc+1kHz的功率与时钟频率的功率之比为-160dB，在频点fc+10kHz的功率与时钟频率的功率之比为-165dB。在安装了相噪分析软件的频谱仪（或者相噪仪）上，通过对图8的阴影部分的求面积后进行简单运算，可以得到该时钟从100Hz到10kHz的TIE的RMS抖动值。对于某些精准的晶振，在某频段内的RMS抖动可以小于几百fs。由于实时示波器的抖动噪声基底大约在2ps左右，对于这类晶振的抖动测试，无法使用实时示波器的测量到，必须使用频谱仪或相噪仪测量。关于相位噪声与TIE抖动的换算，可以参考相噪测试仪厂商的技术文档。



时钟抖动的分析
在时钟抖动测量时，可以在三个域分析抖动，即在时域分析抖动追踪（jitter track/trend）、在频域观察抖动的频谱、在统计域分析抖动的直方图。如下图9所示，左上角的F2为某100MHz时钟，P1是时钟的TIE参数测量；右上角的F3是TIE抖动的直方图，直方图不是高斯分布，可见时钟存在固有抖动。


图9：时钟抖动在时域、频谱、统计域的分析

左下角的F4为TIE track（即TIE抖动随时间变化的趋势），从TIE Track中可以看到周期性的变化趋势；右下角的F5是F4的FFT运算，即抖动的频谱，频谱的峰值频率为515kHz，说明该时钟的周期性抖动（Pj）的主要来源为515kHz，找到频点后，可以查找电路板上主频或谐波为该频率的芯片和PCB走线，进一步调试与分析。