时钟抖动测量方法

时钟抖动测量方法总体抖动通常有这几种衡量方式：TIE,相噪,Periodjitterandcycle-to-cyclejitterTIE(TimeIntervalError)jitter,alsoknownasaccumulatedjitterorphasejitter是所有测试时钟相对理想时钟的偏差，囊括了所有调制频率分量的抖动；TIE和相噪表征了minimum,typicalandmaximumdifferencebetweenanidealclockandthemeasuredclockCycle-to-cyclejitter测量的是一个clockperiod到其临近的上一个clockperiod的差值,表征的是themaximumdifferencebetweenconsecutive,adjacentclockperiodsmeasuredoverafixednumberofcyclesztypically1,000cyclesor10,000cycles;常被用于限制频率的突变 1 ' 1 । 1 Jcc=MAX|Tj-Tj+1,foralljh一Tj一+一Tj+1TCycle-to-CycleJitter(Jcc)Periodjitter是在测量大量的时钟周期长度，并提供与这些测量的统计平均值相比的最小、典型和最大差异，其峰峰值表征的是thedifferencebetweenthelargestclockperiodandthesmallestclockperiodforallindividualclockperiodswithinanobservationwindow,typically1,000or10,000cycles;常被用于确定数字系统种触发器的保持建立时间另外，fc有时还会超过频谱仪的输入频率限制。实际上，测量相位噪声的装置需要将fc的谱能量滤掉。这一方法类似于将通带信号解调到基带。图4为一个实际的相位噪声测量装置,以及不同位置的频谱变换。图4实际的噪声谱测量装置图4所示架构通常称为载波抑制解调器，图4中的n(t)为频谱仪输入。我们可以通过正确调整n⑴频谱获得L(f)的dBc值。周期抖动均方根值和相位噪声之间的关系通过傅立叶级数，可以看出时钟方波信号与其基频正弦波信号的抖动特性基本相同。这使得时钟信号的抖动分析大大简化，一个具有相位噪声的正弦波时钟信号可以描述为：而周期抖动可表示为：式4可以看出正弦波经过了相位噪声。(t)调相。由于相位噪声比TT/2小很多，因此式4可简化为:频谱C(t)可以表示为:其中S。⑴是q⑴的频域表示。根据L(f)的定义，我们可以得至I」:可以看出L⑴是以dB表示的S0(f)o这实际上也揭示了L(f)的真正含义。通过图4所示装置可以测量L(f),C⑴与cos(2Ect)混频后经过低通滤波器滤波,然后输入频谱仪，输入频谱仪的信号n(t)可以表示为：频谱仪的输出为：由此可以得到相位噪声So⑴和L(f):通过将n(t)的频谱按比例缩减A2/4,可以直接得到以dBc表示的L(f)o通过式11可以推导出。⑴的均方值(MS):从式5开始，最终推导出了周期抖动Jper和相位噪声谱L⑴之间的关系:在一些类似SONET和10Gb应用中,工程师仅关心特定频段的抖动。在特定频段内的RMSJper可以表示为：通过L(f)近似得到RMSJper当L⑴频率轴为对数坐标时，相位噪声通常可通过分段线性法近似得到。此时的L(f)可以表示为：其中K-1为分段函数的线段数，而U⑴为阶跃函数，如图5所示：图5.一个典型的L⑴函数将式15中的L(f)带入式14,可以得到：表1是fc=155.52MHz的L(f)列表，可用于分段函数参数计算。表1.用于计算分段函数参数的L⑴值Frequency(Hz)101000300010000L(f)(dBc)-58-118-132-137下面计算ai和bi:结果列于表2O表2.L(f)分段函数中的参数■Ifi(Hz)10100010000a,(dBc/decade)-30-29.34-9.5N/Abi(dBc)-58-118-132-137将表2中的数值带入式16,可以得到:利用图4所示装置测同一时钟在同一频段内的RMS抖动为4.2258ps,因此从相位噪声到抖动的近似转换结果非常精确，本例中的误差小于4%。如果给定相位噪声谱的包络，式16还可用来估计所需的抖动上限。一个简单的数据表文件给出了示例的公式。总结本文揭示了在时域测量的抖动和在频域测量的相位噪声之间的数学关系。许多关心信号完整性和系统时钟的工程师都会关注这一关系。本文结果清楚回答这一问题。基于上述数学关系，我们提出了一种用相位噪声谱估计周期抖动的方法。工程师可以利用这一方法快速实现两种测量之间的量化转换,这对于系统电路的设计和应用有很大帮助。参考文献SEMIG80-0200,"TestMethodfortheAnalysisofOverallDigitalTimingAccuracyforAutomatedTestEquipment"Tektronix应用笔记:"UnderstandingandCharacterizingTimingJitter"LeCroy白书：“TheAccuracyofJitterMeasurements1'DavidChandler,"PhaseJitter-PhaseNoiseandVCXO"ZCorningFrequencyControlInc.PeriodJitterPeriodJitter注意，不是PJperiodicjitterzPJ是从DJ里面分解出来的SiT8924B的spec里面对jitter的特性标注如下JitterRMSPeriodJitterT」itt—1.62.5PSf=75MHz,2.25Vto3.63V—1.93.0PSf=75MHz,1.8VRMSPhaseJitter(random)T_phj—0.5—psf=75MHz,Integrationbandwidth=900kHzto7.5MHz—1.3—psf=75MHz,Integrationbandwidth=12kHzto20MHz按照sitime提供的jitter测试文档《SiT・AN10007Rev1.21》中的描述,PeriodJitter测试方案如下RMS:因为理想周期的值往往难以确定，所以实际以平均周期作为理想周期，这样Pj的均方根值（RMS）就变为了测量到的Period的标准差（Stddev）0可以使用Keysight的示波器测量10000+个clockperiod的波形数，再用D9010JITOInfiniiumOffline-EZJITComplete工具分析其标准差Periodjitteristhedeviationincycletimeofaclocksignalwithrespecttotheidealperiodoveranumberofrandomlyselectedcycles.Ifweweregivenanumberofindividualclockperiods,wecanmeasureeachoneandcalculatetheaverageclockperiodaswellasthestandarddeviationandthepeak-to-peakvalue.Thestandarddeviationandthepeak-to-peakvaluearefrequentlyreferredtoastheRMSvalueandthePk-Pkperiodjitter,respectively.Manypublicationsdefinedperiodjitterasthedifferencebetweenameasuredclockperiodandtheidealperiod.Inrealworldapplications,itisoftendifficulttoquantifytheidealperiod.Ifweobservetheoutputfromanoscillatorsetto100MHzusinganoscilloscope,theaveragemeasuredclockperiodmaybe9.998nsinsteadof10ns.Soitijsusuallymorepracticaltotreattheaverageperiodasthejdealperiod.PicktoPick因为Clock的Pj是随机的，符合高斯分布，所以在测得RMS的基础上，可以计算出PP值。以10000个period的RMS计算PP值为例，可以使用如下公式：Peak-to-peakperiodjitter=±3.719x(RMSjitter) Equation1Forexample,iftheRMSjitteris3ps,thepeaktopeakjitteris±11.16ps.Equation1isderivedfromtheGaussianprobabilitydensityfunction(PDF)table.Forinstance,ifthesamplesizeis100,99ofthosesampleswillfallwithin±2.327ofromthemeanvalueofthedistribution,only1sample,onaverage,willfalloutsidethatregion.SiTimemeasurestheRMSperiodjitteroverasamplesizeof10,000asspecifiedbytheJEDECstandard.下表是不同采样数对应的系数，实际上就是从标准正太分布表中得到的，以上文中计算的100采样数为例，因为正态分布是无界的，那么随着采样数量的增加，一值理论上无限大，实际采样数是有限的，这里就考虑99%的数据分布范围查标准正态分布表得知0.9901的概率对应的Z分数(一个数与平均数的差再除以标准差)是2.33,所以这个范围内的Period与平均数口的差就是：2.33*这100个Period的标准差，而在本文中标准差就是RMS，所以就得到了上文的公式，那么99%数据相对于p的偏离范围就是：±2.33*(RMSjitter)也就是±2.33o而99%小于0.9901,实际上99%概率对应的数据分布范围是|j±2.327a,那这些数据的p—值显然就是：±2.327*(RMSjitter)这里的正态分布表只例了z分数3.09以内部分,查阅更详细的正态分布表得知3.72对应的概率是99.99003%,那么3.719大约是99.99%（已经大于3o的99.74%了）Table1.GaussianprolSampleSize101001,00010,000100,0001,000,000具体测试方法：.设置示波器采样率16GSa/s时基20us,存储深度Auto,波形尽量占满屏幕(提高垂直分辨率)，这样对于50M的时钟波形保证完整采样，一次存储10000period,探头型号N2873A，使用金属弹片就近接地，示波器型号MXR058A(2GHz).添加测量量period和pulsecount,通过pulsecount确认采样到的period数量.使用EZJIT软件分析采样到的10000个period,进行Histogram和Trend的统计,Trend可以观测Period变化的趋势和范围,Histogram可以统计Stddev以及p-p值,生成Histogram以后在measurement里面也可以添加相关的测量，方便在histogram上观察测量结果是怎么得到的测试结果：HelpLy1MeasurementsI-- _“3/2023sWd介HistogramKEYSIGHT- rMeasurementJCurrentMeanYscale920hits/OVmax(h)3.679khits3.679khitsYoffset0hitsVmin(mt)19.9146ns19.9263nsXscale50.000ps/Vmax(mt)20.0747ns20.0727nsXposition19.996323nsVp-p(mt)160.06ps146.457psHistmeanja(X)00291ns0Vamptd(2)1.67388V1.67265VHiststddev18.9510ps❻Vtop(2)1.73367V1.73438VHistp±1o68.72%OVbase(2)59.80mV61.725mVHistp12o95.66%0+pulses(2)9.999k9.9990kHistp±3o99.73%0Penod(2)19.96630ns20.0000290nsHistp-3。19.943176ns,Histp+3o20.056882nsHistp-p170.560psMarkers,一HistFWHM43.443psMarker|1HorizontalVerticalHistmin19.911107nsVmax(h) 3.67900 khitsHistmax20.081667nsVmax(h)\/ 八 3.67900khits on074AR?ntBinwidthmpdian425fs20000002nsvitlaA^iIiijVmax(mt) 20.074682ns1l11 1Histmode19.998301nsV IQQ14A1RHisthits399920khitsV11III1^1111/Vmin(mt) 19.914618nsHistpeak3.679khitsMSO7.36k6.44k5.52k4.60k3.68k12.76k1.84k92001.73V1.43V1.13V830mV530mV230mV•70mV370mV4 0-100us-80.0ms-60.0ms-40.0us-20.0ps20.0us40.0us60_0us80.0us20.0ms40.0ys60.0ps80.0ps-100ps-80.0ms-60.0ps-40.0us-20.0psTimeMeasvertn-a-Meas197Sm。20.0ps/0.0s?nnOr« 0@•0》口时钟抖动(CLK)和相位噪声之间的转换摘要:这是一篇关于时钟(CLK)信号质量的应用笔记,介绍如何测量抖动和相位噪声,包括周期抖动、逐周期抖动和累加抖动。本文还描述了周期抖动和相位噪声谱之间的关系,并介绍如何将相位噪声谱转换成周期抖动。几乎所有集成电路和电气系统都需要时钟(CLK)。在当今世界中，人们以更快的速度处理和传送数字信息，而模拟信号和数字信号之间的转换速率也越来越快,分辨率越来越高。这些都要求工程师更多地关注时钟信号的质量。时钟信号的质量通常用抖动和相位噪声来描述。抖动包括周期抖动，逐周期抖动和累计抖动，最常用的是周期抖动。时钟的相位噪声用来说明时钟信号的频谱特性。本文首先简单介绍用来测量时钟抖动和相位噪声的装置。然后介绍周期抖动和相位噪声之间的关系，最后介绍将相位噪声谱转换成周期抖动的简单公式。周期抖动和相位噪声：定义和测量周期抖动周期抖动(Jper)是