供电噪声与时钟发生器

执行摘要: 供电噪声影响时钟噪声性能，通过这篇白皮书您能学习到引起供电噪声的不同来源。您也能学到测量供电噪声的多种技术及通过在源头清除噪声以提高系统性能的方法。

介绍：
       赛普拉斯的时钟发生器是为产生低时钟噪声而设计的。阐述了提高系统供电噪声以减少时钟噪声的解决方案。有不同的系统噪声来源影响时钟发生器的性能。在接下来的部分，阐述了测量供电噪声的试实用方法。

       系统供电噪声可能以多种方式引起系统性能的损失。
        ·　过度的辐射电子干扰
        ·　过度的传导电磁干扰
        ·　过度的相位噪声和抖动，在传输系统中导致低载噪比和增加比特误差率
        ·　系统崩溃和前后矛盾的行为
        对销售的产品来说，辐射和传导电池干扰测试是必须的。这样通过在系统中设计合适的滤波器来避免上述的这些问题。
        对数据传输系统来说，系统性能处于非常重要的位置。设计者担忧时钟系统会诱发位误差。干净的时钟和更好的时钟相位噪声对降低位误差是至关重要的。因为更高数据速率，最小化的时钟噪声以实现电子系统更好的系统性能，这已经变得非常重要了。
    时钟噪声也影响系统位误差率，高位误差率导致更恶劣的数据包，低系统容量，低系统性能，低裕量和更高的服务和维修成本。低系统噪声能提高系统噪声，这是在市场上成功的关键。
噪声源
       传导噪声通过供电转为输出时钟的相位噪声。多种来源的噪声会对电源供应造成影响。这些来源包括电压调整器电路，系统负载和振荡器输出。

供电噪声
        对开关电源来说，它的噪声可能来自于开关噪声和不完全滤除的开关纹波。它有很强的噪声信号在开关频率及其谐波分量上。对线性电压调整器而言，噪声可能来自于输出端和参考源级的放大器噪声。来自于线性电压调整器的噪声频带更宽。
系统噪声
   

所有受时钟控制的电子系统显示，在电源供应线路上会诱发一些噪声。电流型负载快速的切换和数字电路输出生成的噪声。要模拟这种噪声是复杂的。很多系统的噪声电平波动取决于任意时刻的代码执行情况。噪声是依赖于时钟速率和时钟和数据边缘的上升下降时间。一些系统在主程序代码执行时运行正常。只有在高噪声电平情况下，不经常执行的一部分代码运行时才出现偶发性的错误。复杂的系统反应，伴随着复杂的噪声，这些都要求进行全面的测试。
供电噪声和时钟发生器性能。
    这里有一个常见的误解，那就是供电噪声不影响时钟相位误差。
    所有集成的时钟发生器内部都有电压带隙，电流源，放大器，压控振荡器控制电压和其他电路，当供电电压不是恒定的直流而是有一下附加的噪声是，这些电路的性能会随供电电压变化而变化。

       想象把一个时钟缓冲器作为一个一位数字转换器，来测量一路输入信号是高电平还是低电平，在一个传播延迟之后，在输出端上呈现的测量结果。供电噪声对内部集成电路有如下的这些影响：
       ·　改变内部参考点，测量信号是否为高电平或低电平。
       ·　改变内部偏置电流。这影响内部门电路的速度和传播延时。
       ·　改变输出驱动电流。这影响输出上升和下降时间。
      

所有这些输出相位上的细微提前或延迟，都会在后面的器件显示出来。周期性的输出相位改变构成了相位调制。在直流电源的频率调制的时钟相位，这种调制在时钟载波频率上产生了边带。假如边带是一种频率的话，这种频率对您的应用来说是重要的(像用于同步光纤网的12Khz到20Mhz)，系统时钟性能以及受损。
      
考虑一下您的系统时钟是100Mhz，一个马刺出现在输出相位误差上，在1Mhz时与载波相关联。您不能查找到一个99或者01Mhz的信号源。在直流供电上寻找一个1Mhz的信号。找到和处理这样的噪声源，1Khz的噪声偏移将会从100Mhz的载波上消失。
       这里描述一下在输出相位噪声上，供电噪声影响的测量方法。
      

在测量中，一个10Khz频率的音调信号，固定-50dBm幅度，通过一个100uF电容耦合到直流供电上。时钟发生器的输出频率是125Mhz.尽管注入的电源噪声的频率比输出频率低得多。信号混频也出现在时钟发生器的内部节点。这种生成的总和和不同频率偏移也会出现在输出载波频率上。这样的混频过程对时钟发生器来说不是唯一的。其他的系统设备像时钟缓冲器和时钟负载器件也显示出相同的混合和VDD的噪声敏感性。



图表1.在VDD上注入10Khz -50dBm音调信号

       图表1显示了时钟输出的注入信号相位调制。利用您的系统在时钟频率上产生马刺以优化您的工作。它们的相对高度能指导您找出和减少你系统的噪声源。
   
       诱发马刺和电源电压抑制比
       在图表2上诱发马刺的高度值是测量仪器上的滤波器带宽的一个功能。它随频率和输入信号幅度变化而变化。为了比较不同器件，在你的应用中感兴趣的频段上测试完整的噪声是更好的。

      

图表2显示了如何诱发马刺高度随直流供电噪声幅度变化。注入了10Khz的信号，幅度在-50dBm到-70dBm变化。如果电源电压抑制比是常数，这会显示一条斜率为负1的直线。在-60dBm和-65dBm之间有一个重要的改变。它远离了这条直线。为了理解和比较不同的器件，电源电压抑制比说明中必须包括精确的测试条件。这些测试条件必须包括温度，供电电压，注入喜欢频率和电平。以图表2中的说明为例，将看到在100Khz是不同于10Khz的。甚至在10Khz时，一个注入电平为-65dBm的信号，计算出的电电压抑制比为34dB,不同于注入电平为-60dBm的信号的计算值。

图表2. 马刺高度VS注入噪声电平
功率与总功率比值VS照注入分贝毫伏在10Khz注入


测量供电噪声
        大多数设计者使用示波器来观测供电噪声。在噪声信号很强的地方，示波器追踪切换供电噪声是有用的。然而在跟踪系统噪声时就不是那么有用了。系统噪声包涵了来自于逻辑切换时大量的杂散量。用一个示波器在复杂的电路板上识别这样的噪声源是非常困难的。
    频谱分析仪尽管更常用于射频测试，在系统中测量直流供电上的噪声，则很简单。在测量1千赫兹到10千赫兹范围内的低频响应是非常有用的。最大频率为1G赫兹是非常适合的，不过对于更高的带宽是没有必要的。
    使用频谱分析仪测量直流供电上附加的交流噪声。它可以让您认识到频率呈现和它们在您系统中的来源。这样您可以优先安排您的工作，在移到更小的峰值之前首先调制最高的峰值。
使用频谱分析仪来跟踪直流供电上的噪声，通过一耦合电容(直流模块)连接频谱分析仪的输入到一个1:1的探针。直流电压上的耦合电容用于保护频谱分析仪输入端口。

    测量环绕板四周的直流供电线上的噪声，注意在噪声频谱马刺的高度。这会帮助您发现直流供电线路上每个噪声信号的真实来源。这是一个有用的方法，用来发现最高噪声源和提高它们的旁通性。使用短地到您的探头上。它可以帮助隔离噪声源。

总结:
    测试您的系统，修改布局，提高噪声电路部分的旁通性是非常重要的。目标就是通过处理发生源端的噪声，得到最干净的系统。它是更简单也不贵的处理噪声源的方法。它也是使系统免受干扰最可靠的方法。   

系统有其他的噪声源和噪声进入点，以进入时钟系统做为简单例子。时钟发生器，时钟缓冲器，互联和时钟负载是所有入口点，使VDD感应到相位噪声。为了发现这种噪声源，早起就可以使用频谱分析仪来分析。对于成功的系统设计。测量您系统性能是很重要的。找出出现在时钟相位噪声上的噪声来源，从源头上清除它们。
    当您清除了频率上的毛刺，在成功的产品上，您能看到整体的相位噪声下降到了您期望的值。