做硬件這一行板子回板之后最怕兩件事一件是上電就冒煙另一件是時(shí)鐘不出來(lái)。前者至少痛快后者最磨人。差分晶振看著就是個(gè)小方塊四個(gè)焊盤(pán)供上電就應(yīng)該吐波形可真正拿示波器一掛問(wèn)題全冒出來(lái)了——波形毛刺橫生像條正弦波、幅度只有標(biāo)稱(chēng)值的一半、頻率差了千分之幾、占空比歪得離譜或者干脆一潭死水什么都不出。這些年我調(diào)過(guò)的差分晶振少說(shuō)也有上百顆從消費(fèi)類(lèi)板子上的25MHz到通信設(shè)備里的100MHz、156.25MHz再到給橋接芯片做參考的100MHz HCSL踩過(guò)的坑基本能湊成一本小冊(cè)子。這篇東西就是把這套經(jīng)驗(yàn)整理出來(lái)圍繞差分晶振的波形識(shí)別和實(shí)戰(zhàn)調(diào)試展開(kāi)講清楚探頭怎么選、帶寬怎么算、端接怎么放、波形怎么讀、參數(shù)怎么量、出錯(cuò)怎么查。不管你是剛接手時(shí)鐘電路的新人還是已經(jīng)畫(huà)過(guò)幾版板子的老手這里面的判斷邏輯和實(shí)測(cè)手法都能直接拿去用。1. 先把差分晶振這四個(gè)字拆開(kāi)看1.1 有源振蕩器和無(wú)源晶體是兩套完全不同的方法論先澄清一個(gè)幾乎每個(gè)月都會(huì)被人問(wèn)到的問(wèn)題差分晶振到底是不是晶體答案是不是。差分晶振屬于有源晶振OscillatorXO的范疇內(nèi)部已經(jīng)把石英諧振體、振蕩電路、分頻或倍頻鏈路、輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)全部封裝進(jìn)去了你只要給它一個(gè)干凈的電源它自己就會(huì)起振輸出端直接給出方波或者近似方波。而兩腳或四腳的無(wú)源晶體Crystal只是一個(gè)諧振元件必須配合芯片內(nèi)部的反相放大器工作外部還得掛兩個(gè)負(fù)載電容負(fù)載電容選錯(cuò)就會(huì)頻率偏移選大了還可能起振困難。這兩套東西的調(diào)試方法論完全不同。無(wú)源晶體你要算負(fù)載電容CL、評(píng)估負(fù)性阻抗、控制激勵(lì)功率、看起振裕量有源差分晶振你要盯的是供電質(zhì)量、輸出擺幅、端接方式、傳輸線阻抗和接收端匹配。很多剛上手的朋友拿著差分晶振去找負(fù)載電容該配多少這屬于方向性錯(cuò)誤——它的負(fù)載電容是內(nèi)部固定的外部根本沒(méi)有可調(diào)的地方。還有一個(gè)容易混淆的點(diǎn)是引腳定義。差分晶振常見(jiàn)封裝有3225、5032、7050這幾種四腳器件的典型定義是一腳三態(tài)或空腳、二腳地、三腳輸出、四腳電源但不同廠家會(huì)調(diào)換位置六腳器件還會(huì)多出差分負(fù)端和使能腳。所以我在layout評(píng)審時(shí)有個(gè)固定動(dòng)作把datasheet的引腳表打印出來(lái)跟原理圖符號(hào)和PCB封裝做三方比對(duì)這一步花五分鐘能省掉后面兩天的返工。1.2 LVDS、LVPECL、HCSL的輸出級(jí)差異差分晶振的差分兩個(gè)字修飾的其實(shí)是它的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。目前主流就三種LVDS、LVPECL和HCSL另外還有CML和少數(shù)廠家的自定義電平。這三者的差別不是名字不同而是驅(qū)動(dòng)方式、共模電壓、擺幅和端接要求全都不同搞錯(cuò)了就會(huì)出現(xiàn)波形看著有接收端不認(rèn)的情況。輸出類(lèi)型驅(qū)動(dòng)方式差分?jǐn)[幅典型共模電壓典型端接要求常見(jiàn)應(yīng)用LVDS電流源3.5mA約350mV約1.2V接收端100Ω差分電阻圖像、FPGA、一般時(shí)鐘分發(fā)LVPECL射極跟隨低阻約700~800mVVCC-1.3V左右Thevenin或50Ω到VCC-2V高速SerDes、光模塊HCSL電流源約15mA約700mV約350mV每端50Ω到地常配33Ω串阻PCIe參考時(shí)鐘CML共射開(kāi)路約400~800mV與VCC相關(guān)通常50Ω到VCC高速收發(fā)器這張表里的數(shù)值都是典型值實(shí)際必須回到具體型號(hào)的手冊(cè)。我強(qiáng)調(diào)的是邏輯關(guān)系LVDS擺幅最小但功耗低、共模居中LVPECL共模電壓高直流耦合到低壓接收端會(huì)燒或者不工作所以經(jīng)常要交流耦合加偏置HCSL是電流驅(qū)動(dòng)沒(méi)有地回路端接的話根本沒(méi)有電壓擺幅你直接拿探頭掛上去只會(huì)看到一條直線。這三種里面HCSL是被誤解最多的后面第4章我會(huì)專(zhuān)門(mén)講它的端接位置問(wèn)題。1.3 差分到底解決了什么值得多花這幾毛錢(qián)經(jīng)常有人問(wèn)單端晶振便宜又簡(jiǎn)單為什么非要用差分。核心原因有三個(gè)每一個(gè)都能對(duì)應(yīng)到真實(shí)的工程事故。第一個(gè)是共模抑制。差分信號(hào)的信息承載在兩根線的電壓差上電源波動(dòng)、地彈、外部耦合進(jìn)來(lái)的共模噪聲會(huì)同時(shí)疊加到正負(fù)兩端做差之后就被抵消掉了。單端信號(hào)就沒(méi)這個(gè)待遇地上抖100mV你的判決門(mén)限就跟著抖100mV。第二個(gè)是回流路徑可控。單端信號(hào)的回流走最低阻抗路徑在地平面上跑來(lái)跑去邊界模糊輻射也難預(yù)測(cè)。差分對(duì)的兩根線互為回流路徑電流在兩條線之間閉環(huán)輻射場(chǎng)相互抵消EMI表現(xiàn)明顯更好這在過(guò)認(rèn)證的時(shí)候能省不少改板成本。第三個(gè)是邊沿質(zhì)量與抖動(dòng)。差分輸出的壓擺率通常更高交叉點(diǎn)穩(wěn)定接收端的判決精度更高。對(duì)于高速接口的參考時(shí)鐘來(lái)說(shuō)抖動(dòng)的每一個(gè)皮秒都會(huì)直接吃掉系統(tǒng)裕量這也是為什么大多數(shù)規(guī)范都會(huì)對(duì)參考時(shí)鐘的相位抖動(dòng)單獨(dú)提要求。2. 測(cè)量鏈路決定你看到的是不是真相2.1 示波器帶寬、采樣率和上升時(shí)間的三角計(jì)算我見(jiàn)過(guò)太多人拿著一條畸變的波形來(lái)找我最后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題不在板子而在示波器帶寬不夠。測(cè)量鏈路本身是有帶寬限制的它會(huì)把真實(shí)的邊沿抹圓讓你誤以為晶振輸出有問(wèn)題。這里有個(gè)可以直接套用的經(jīng)驗(yàn)公式示波器帶寬 ≥ 0.35 / 上升時(shí)間。假設(shè)你手上這顆100MHz差分晶振手冊(cè)標(biāo)的上升時(shí)間是250ps10%到90%那么需要的帶寬約為 0.35 / 250ps 1.4GHz。如果你手里只有500MHz帶寬的機(jī)器測(cè)出來(lái)的上升時(shí)間會(huì)被拉長(zhǎng)到大約700ps你看到的不是晶振的真實(shí)邊沿而是示波器對(duì)它的低通濾波結(jié)果。更麻煩的是振鈴和過(guò)沖這些高頻成分會(huì)被直接濾掉你會(huì)誤判這塊板子很干凈。采樣率這邊經(jīng)驗(yàn)法則是采樣率至少為帶寬的4到5倍或者至少覆蓋到信號(hào)的第5到第9次諧波。100MHz方波的主要能量集中在1次、3次、5次諧波邊沿陡峭程度取決于更高次的諧波。如果你想看清邊沿細(xì)節(jié)取樣率要到5GSa/s以上日?？床ㄐ钨|(zhì)量10GSa/s的機(jī)器已經(jīng)足夠。順便說(shuō)一個(gè)查規(guī)范的習(xí)慣別用理論值代替手冊(cè)值。不同廠家、不同頻點(diǎn)的上升時(shí)間差別很大有的標(biāo)150ps有的標(biāo)500ps對(duì)應(yīng)的帶寬需求差了三倍。查手冊(cè)確認(rèn)一下比事后懷疑板子要?jiǎng)澦愕枚唷?.2 探頭選型單端探頭測(cè)差分等于自己騙自己測(cè)量差分信號(hào)最忌諱的做法就是拿一根普通的10倍無(wú)源探頭勾在正端地夾子夾在地。這樣測(cè)出來(lái)的東西和你腦子里想的差分波形根本不是一個(gè)東西原因有三條。第一你丟掉了負(fù)端的全部信息。差分波形的每一個(gè)參數(shù)擺幅、交叉點(diǎn)、共模電壓、占空比都是正負(fù)兩端共同決定的。只看正端你只能看到一個(gè)單端波形擺幅會(huì)被放大一倍交叉點(diǎn)信息完全丟失。第二地夾子引入的環(huán)路電感會(huì)把波形攪爛。普通探頭的地線有十幾厘米這個(gè)回路在100MHz以上會(huì)形成明顯的LC諧振波形上會(huì)出現(xiàn)周期性的振鈴你會(huì)以為晶振輸出有問(wèn)題實(shí)際上是探頭在自激。第三無(wú)源探頭的輸入電容通常有10到15pF掛在100MHz的50Ω?jìng)鬏斁€上是個(gè)不小的容性負(fù)載。算一下就更清楚了100MHz下15pF的容抗約為106Ω跟50Ω的線阻抗并聯(lián)之后等效阻抗直接掉到32Ω左右信號(hào)幅度和邊沿都會(huì)變。所以我的建議很直接測(cè)差分時(shí)鐘就用有源差分探頭。輸入電容通常在0.3到1pF帶寬足夠共模輸入范圍也夠用。如果預(yù)算有限實(shí)在沒(méi)有差分探頭退一步的做法是用兩根匹配良好的單端探頭分別接正負(fù)端在示波器里做數(shù)學(xué)相減但前提是兩根探頭的時(shí)延要校準(zhǔn)過(guò)否則相減出來(lái)的波形會(huì)變形交叉點(diǎn)完全不可信。這種做法只能看個(gè)大概趨勢(shì)別用來(lái)判參數(shù)。2.3 端接與測(cè)量點(diǎn)你在哪測(cè)決定你測(cè)到什么測(cè)量位置的選擇經(jīng)常被忽略但它直接影響你看到的波形。正確的測(cè)點(diǎn)順序是這樣的先看晶振輸出引腳再看接收端引腳最后看中間任意位置。只有把這三個(gè)位置的波形都看一遍你才能判斷畸變到底來(lái)自晶振本身還是來(lái)自傳輸路徑。為什么強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)因?yàn)槎私与娮钂煸谀膫€(gè)位置會(huì)改變整個(gè)路徑的阻抗分布。以HCSL為例它的端接是每個(gè)單端50Ω到地這個(gè)電阻通常放在靠近接收端的位置。如果你在晶振輸出腳測(cè)量看到的是沒(méi)有被端接的電流源輸出波形可能一塌糊涂在接收端測(cè)量看到的是端接之后的波形才是接收芯片實(shí)際看到的東西。還有一個(gè)實(shí)用技巧測(cè)量時(shí)把示波器的耦合方式設(shè)為直流。有些朋友圖省事用交流耦合結(jié)果把直流共模電壓信息全丟了交叉點(diǎn)判斷無(wú)從談起。只有當(dāng)你需要觀察小信號(hào)抖動(dòng)、把垂直檔位放到很細(xì)的時(shí)候才考慮交流耦合配合偏置功能使用。另外探頭的接地要短有源差分探頭是用尾纖的尾纖要盡可能短能貼到測(cè)試點(diǎn)就直接貼別用長(zhǎng)飛線延長(zhǎng)。3. 波形識(shí)別好波形長(zhǎng)什么樣壞波形怎么認(rèn)3.1 一個(gè)正常差分時(shí)鐘的六個(gè)體檢指標(biāo)判斷差分波形是否正常我固定看六個(gè)指標(biāo)缺一個(gè)都不算完成體檢。第一差分?jǐn)[幅。正負(fù)兩端電壓相減后的幅度LVDS約350mVLVPECL約700到800mVHCSL約700mV。擺幅偏低通常是端接不對(duì)或者負(fù)載太重?cái)[幅偏高則可能是端接缺失導(dǎo)致的無(wú)負(fù)載反射。第二共模電壓。正負(fù)兩端的平均值這個(gè)是交叉點(diǎn)的基準(zhǔn)。LVDS應(yīng)在1.2V附近LVPECL應(yīng)在VCC減1.3V附近HCSL在350mV附近。共模電壓偏離對(duì)接的接收端可能直接不識(shí)別。第三上升時(shí)間和下降時(shí)間。一般要求兩者接近對(duì)稱(chēng)差值不超過(guò)20%到30%。明顯不對(duì)稱(chēng)通常說(shuō)明驅(qū)動(dòng)級(jí)有問(wèn)題或者負(fù)載電容不平衡。第四占空比。差分時(shí)鐘一般要求在45%到55%之間很多高速接口更嚴(yán)要求48%到52%。占空比偏差會(huì)直接吃掉接口的時(shí)序裕量。第五交叉點(diǎn)。正負(fù)兩端的交叉位置應(yīng)該穩(wěn)定在共模電壓附近波動(dòng)范圍通常要求控制在共模電壓上下150mV以內(nèi)。交叉點(diǎn)偏移說(shuō)明正負(fù)兩路的傳輸延遲或者驅(qū)動(dòng)能力不一致通常是走線長(zhǎng)度不匹配導(dǎo)致。第六抖動(dòng)。包括周期抖動(dòng)、周期間抖動(dòng)以及相位抖動(dòng)。日?？窗遄拥臅r(shí)候先看波形的交叉點(diǎn)是否毛如果交叉點(diǎn)附近明顯模糊抖動(dòng)大概率超標(biāo)。這六個(gè)指標(biāo)里前五個(gè)你在示波器上用自動(dòng)測(cè)量功能就能讀出來(lái)第六個(gè)需要專(zhuān)門(mén)的抖動(dòng)分析選件或者相位噪聲分析儀。我一般會(huì)把這六項(xiàng)做成一個(gè)固定表格每塊板子測(cè)完填一遍方便橫向?qū)Ρ纫卜奖愠鲐浨傲魴n。3.2 六種典型畸形波形圖鑒波形一削頂或者壓扁的方波。表現(xiàn)為頂部和底部是平的但幅度明顯比標(biāo)稱(chēng)值小邊沿很緩。常見(jiàn)原因是端接電阻缺失或者阻值不對(duì)驅(qū)動(dòng)電流灌不出去也可能是走線阻抗嚴(yán)重偏離50Ω比如做了很窄的線或者開(kāi)了很大的過(guò)孔坑。排查方法是先確認(rèn)端接電阻焊接正確再用TDR看一下走線阻抗。波形二滿幅振鈴。邊沿上有明顯的衰減振蕩頻率通常在幾百M(fèi)Hz到1GHz之間。多數(shù)是阻抗不連續(xù)引起的反射比如過(guò)孔stub太長(zhǎng)、連接器位置走線突變、或者分叉走線。也可能是探頭地線太長(zhǎng)造成的測(cè)量偽像換差分探頭復(fù)測(cè)一次就能區(qū)分。波形三雙沿或者臺(tái)階。上升沿中間出現(xiàn)一個(gè)明顯的臺(tái)階看起來(lái)像是走了兩步。典型原因是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的拓?fù)錄](méi)有做端接匹配或者分叉點(diǎn)到每個(gè)接收端距離不等反射波疊加在主沿上。這種情況在時(shí)鐘分發(fā)電路里很常見(jiàn)解決辦法是改成菊花鏈或者加緩沖器。波形四幅度塌陷、邊沿傾斜。表現(xiàn)為擺幅只有正常值的一半甚至更低。HCSL如果端接缺失就是這個(gè)樣子還有一種情況是差分對(duì)里有一根線虛焊或者斷裂示波器上表現(xiàn)為正負(fù)兩端嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)。波形五停振或者間歇性停振。波形時(shí)有時(shí)無(wú)或者上電后要過(guò)幾百毫秒才出來(lái)。多數(shù)跟電源上電斜率、三態(tài)引腳懸空、或者電源去耦不足有關(guān)。三態(tài)腳懸空是最常見(jiàn)的因?yàn)閼铱盏腃MOS輸入電平不確定芯片可能一直處于高阻態(tài)。波形六交叉點(diǎn)模糊、波形整體發(fā)毛。波形能出但交叉點(diǎn)附近像蒙了一層霧占空比讀數(shù)來(lái)回跳。這種是抖動(dòng)超標(biāo)的典型表現(xiàn)根因可能是電源紋波大、地噪聲高、或者晶振本身的相位噪聲不達(dá)標(biāo)。要先把電源測(cè)干凈再懷疑器件。3.3 參數(shù)速查表規(guī)范值、常見(jiàn)偏差與可能原因觀察到的現(xiàn)象可能原因優(yōu)先排查順序擺幅只有標(biāo)稱(chēng)一半端接缺失、單邊虛焊端接電阻焊點(diǎn)、差分線連續(xù)性邊沿嚴(yán)重振鈴阻抗不連續(xù)、探頭地線過(guò)長(zhǎng)換差分探頭復(fù)測(cè)、查過(guò)孔與分叉占空比明顯偏離50%驅(qū)動(dòng)不平衡、負(fù)載電容不對(duì)稱(chēng)差分對(duì)長(zhǎng)度匹配、端接對(duì)稱(chēng)性共模電壓偏高或偏低交流耦合電容漏電、偏置電路問(wèn)題耦合電容、接收端偏置網(wǎng)絡(luò)交叉點(diǎn)持續(xù)抖動(dòng)電源噪聲、相位噪聲超標(biāo)電源紋波、LDO選型、去耦電容波形完全不出三態(tài)腳懸空、供電異常、器件損壞三態(tài)腳電平、電源電壓、替換器件這張表我建議直接打印出來(lái)貼在工位上?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)候人容易亂有個(gè)表按順序走比憑記憶猜要快得多。4. 實(shí)戰(zhàn)調(diào)試從板子回板到眼圖放行4.1 上電前的靜態(tài)檢查清單板子剛回來(lái)先別急著上電。我這幾年養(yǎng)成的習(xí)慣是先做靜態(tài)檢查用萬(wàn)用表在斷電狀態(tài)下把幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)過(guò)一遍能攔掉相當(dāng)一部分低級(jí)錯(cuò)誤。第一步查電源對(duì)地阻抗。差分晶振的電源腳對(duì)地阻抗如果只有幾歐姆說(shuō)明有焊接短路或者電容擊穿直接上電就是冒煙。正常應(yīng)該有幾百歐姆以上具體取決于板上的去耦電容總量。第二步查端接電阻的實(shí)際阻值。HCSL的50Ω、LVDS的100Ω差分電阻都在斷電狀態(tài)下量一遍。有時(shí)候是貼片偏了、虛焊有時(shí)候是BOM選錯(cuò)阻值這兩種情況在波形上表現(xiàn)完全不同。第三步查三態(tài)或使能引腳的電平。查手冊(cè)確認(rèn)這個(gè)腳是要求上拉還是下拉然后用萬(wàn)用表確認(rèn)PCB上的實(shí)際狀態(tài)和設(shè)計(jì)一致。這一步特別重要因?yàn)楹芏嗤Ｕ竦陌咐詈蠖細(xì)w結(jié)到這個(gè)腳懸空。第四步查差分對(duì)的走線連續(xù)性。用萬(wàn)用表的通斷檔從晶振輸出腳一直量到接收端中間任何一段斷了都要先修。注意量的時(shí)候要把兩端器件拆開(kāi)或者確認(rèn)不會(huì)形成并聯(lián)通路否則讀數(shù)會(huì)誤導(dǎo)你。4.2 起振判斷別急著下結(jié)論說(shuō)器件壞了上電之后發(fā)現(xiàn)沒(méi)波形很多人的第一反應(yīng)是晶振壞了然后直接換件。這個(gè)習(xí)慣不好因?yàn)槿绻蛟诎迳蠐Q十顆也是一樣的結(jié)果。正確的判斷順序是這樣先測(cè)供電電壓用示波器而不是萬(wàn)用表因?yàn)槿f(wàn)用表測(cè)不出上電瞬間的跌落和過(guò)沖。有源晶振對(duì)上電斜率有要求太慢會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部復(fù)位電路工作異常表現(xiàn)為起振延遲甚至不起振。一般要求電源在幾毫秒內(nèi)爬升到位具體看手冊(cè)。然后測(cè)三態(tài)腳的電平。這是最高頻的假故障。三態(tài)腳懸空的時(shí)候輸入電平不確定芯片可能一直保持高阻。拿根線把它拉到確定電平波形立刻出來(lái)這種情況我遇到過(guò)不下十次。再然后看輸出腳有沒(méi)有直流偏置。即便沒(méi)有振蕩HCSL或LVDS的輸出級(jí)通常會(huì)有一個(gè)靜態(tài)共模電壓如果你測(cè)到的是接近0V或者接近VCC說(shuō)明輸出級(jí)根本沒(méi)工作問(wèn)題在供電或者使能不在振蕩體。最后才考慮換件驗(yàn)證。換件的時(shí)候注意焊接溫度曲線差分晶振內(nèi)部的石英諧振體對(duì)熱應(yīng)力敏感回流焊溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致頻率永久性偏移這也是為什么手冊(cè)里會(huì)專(zhuān)門(mén)給焊接曲線。4.3 頻偏和占空比的調(diào)整手法頻偏的測(cè)量要用頻率計(jì)示波器的頻率讀數(shù)精度不夠。測(cè)量的時(shí)候有個(gè)大坑如果這顆晶振開(kāi)了擴(kuò)頻頻率是來(lái)回?cái)[動(dòng)的示波器上讀到的瞬時(shí)頻率會(huì)在標(biāo)稱(chēng)值附近周期性變化這時(shí)你要看的是平均頻率或者中心頻率用頻率計(jì)的閘門(mén)時(shí)間設(shè)長(zhǎng)一點(diǎn)。擴(kuò)頻的調(diào)制深度一般在負(fù)0.5%左右調(diào)制頻率在30到33kHz范圍如果你不知道這個(gè)背景會(huì)誤以為晶振壞了。占空比調(diào)整這塊差分晶振本身沒(méi)有可調(diào)的地方它內(nèi)部已經(jīng)固定了。如果你測(cè)到的占空比偏差超過(guò)規(guī)范先懷疑測(cè)量鏈路正負(fù)兩根探頭的時(shí)延不一致會(huì)讓相減后的波形占空比失真再懷疑負(fù)載不對(duì)稱(chēng)兩根線的長(zhǎng)度差、端接電阻誤差、接收端輸入電容差異都會(huì)造成占空比偏移。真正的占空比調(diào)整手段是在走線上做匹配、在端接上選高精度電阻而不是去動(dòng)晶振。對(duì)于LVPECL還有一個(gè)特別的坑它的輸出級(jí)是射極跟隨器輸出阻抗很低但要求有直流泄放通路。如果你用了交流耦合卻沒(méi)給輸出端加下拉電阻輸出管的偏置電流沒(méi)有回路波形會(huì)直接塌掉。典型做法是每個(gè)輸出到地接150Ω或者用50Ω接到VCC減2V的等效網(wǎng)絡(luò)。4.4 抖動(dòng)和相位噪聲的實(shí)測(cè)方法抖動(dòng)這個(gè)指標(biāo)是差分晶振調(diào)試?yán)镒钊菀妆缓雎?、又最容易出?wèn)題的地方。原因是測(cè)抖動(dòng)需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備或者選件很多實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有。如果你手上有帶抖動(dòng)分析選件的示波器可以直接測(cè)周期抖動(dòng)和周期間抖動(dòng)?？床ㄐ蔚臅r(shí)候把觸發(fā)方式設(shè)為時(shí)鐘觸發(fā)開(kāi)啟余輝或者色階顯示交叉點(diǎn)附近模糊的范圍就是抖動(dòng)的直觀體現(xiàn)。更專(zhuān)業(yè)的方法是測(cè)相位噪聲用相位噪聲分析儀或者帶相噪選件的頻譜儀。讀幾個(gè)關(guān)鍵頻偏點(diǎn)的值比如10kHz、100kHz、1MHz處的dBc/Hz再換算成積分相位抖動(dòng)單位是fs RMS。高速接口的參考時(shí)鐘規(guī)范通常會(huì)給一個(gè)積分區(qū)間比如12kHz到20MHz你按這個(gè)區(qū)間去積分結(jié)果才有可比性。要提醒的是測(cè)量相位噪聲時(shí)電源必須干凈。差分晶振的相位噪聲對(duì)供電噪聲極其敏感你用普通的開(kāi)關(guān)電源加長(zhǎng)線供電測(cè)出來(lái)的相噪可能比手冊(cè)差十幾dB這時(shí)候你懷疑器件是冤枉的。正確做法是用低噪聲LDO供電輸入端加濾波測(cè)量時(shí)關(guān)掉附近的干擾源。4.5 參考時(shí)鐘送到橋接芯片時(shí)的額外檢查這里說(shuō)一個(gè)具體的應(yīng)用場(chǎng)景。很多板子上會(huì)有PCIe轉(zhuǎn)PCI的橋接器件比如XIO2001這一類(lèi)它們需要外部提供100MHz的差分參考時(shí)鐘通常要求HCSL電平。這類(lèi)器件的參考時(shí)鐘質(zhì)量直接決定鏈路能不能training成功所以調(diào)試時(shí)的檢查項(xiàng)要比普通時(shí)鐘多一些。第一確認(rèn)電平類(lèi)型匹配。橋接芯片要的是HCSL你給它LVDS擺幅不夠可能時(shí)好時(shí)壞。反過(guò)來(lái)給它LVPECL共模電壓太高可能直接打壞輸入級(jí)。選型階段就要確認(rèn)清楚。第二確認(rèn)端接方案。HCSL的典型接法是晶振輸出串33Ω左右的電阻靠近發(fā)送端然后走100Ω差分線接收端用50Ω到地做端接。這個(gè)50Ω有時(shí)候集成在接收芯片內(nèi)部有時(shí)候要外部加查手冊(cè)確認(rèn)。我遇到過(guò)一塊板子外部多加了50Ω結(jié)果并聯(lián)之后變成25Ω擺幅直接掉到350mV以下鏈路根本起不來(lái)。第三確認(rèn)頻偏余量。這類(lèi)接口對(duì)參考時(shí)鐘的頻率精度要求通常在±300ppm以內(nèi)這個(gè)數(shù)字已經(jīng)包含了擴(kuò)頻的影響。如果你的晶振精度只有±100ppm加上擴(kuò)頻的負(fù)0.5%理論上是能過(guò)的但要留夠余量。測(cè)的時(shí)候關(guān)閉擴(kuò)頻測(cè)一次開(kāi)啟擴(kuò)頻再測(cè)一次兩次都合格才放心。第四確認(rèn)抖動(dòng)指標(biāo)。橋接類(lèi)芯片對(duì)參考時(shí)鐘的相位抖動(dòng)有明確要求通常是幾個(gè)皮秒RMS的量級(jí)。如果你的晶振手冊(cè)上沒(méi)有標(biāo)這個(gè)參數(shù)建議換一顆有明確相噪曲線的型號(hào)別用應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題的心態(tài)去賭。5. 問(wèn)題排查速查表與踩坑實(shí)錄5.1 高頻問(wèn)題速查表現(xiàn)象排查動(dòng)作經(jīng)驗(yàn)判斷完全無(wú)輸出測(cè)供電、測(cè)三態(tài)腳、換件九成是三態(tài)腳懸空或供電異常有波形但幅度低查端接電阻、查差分線連續(xù)性端接缺失最常見(jiàn)波形有振鈴換差分探頭、查過(guò)孔與分叉先排除測(cè)量偽像占空比超標(biāo)查差分對(duì)長(zhǎng)度、查端接對(duì)稱(chēng)性走線不匹配居多交叉點(diǎn)抖動(dòng)大測(cè)電源紋波、測(cè)相噪電源問(wèn)題占七成頻率偏移大確認(rèn)是否開(kāi)擴(kuò)頻、測(cè)平均頻率擴(kuò)頻是常見(jiàn)誤判源上電后延遲起振看電源上電斜率、看使能時(shí)序上電斜率太慢導(dǎo)致接收端不識(shí)別查電平類(lèi)型、查共模電壓電平不匹配或偏置丟失5.2 我踩過(guò)的幾個(gè)坑說(shuō)給你聽(tīng)第一個(gè)坑把有源晶振當(dāng)無(wú)源晶體找負(fù)載電容。這是我剛工作第二年鬧的笑話拿著一顆差分晶振在手冊(cè)里翻了半天找CL參數(shù)最后被前輩點(diǎn)醒。教訓(xùn)是拿到器件先看它是XO還是Crystal這兩個(gè)字的區(qū)別決定了后面所有工作。第二個(gè)坑用單端探頭測(cè)差分然后把波形發(fā)給晶振廠家投訴。當(dāng)時(shí)波形上全是振鈴我認(rèn)定是器件問(wèn)題廠家工程師讓我換差分探頭復(fù)測(cè)一測(cè)干干凈凈。那次之后我買(mǎi)的第一件私人裝備就是差分探頭。測(cè)量工具不對(duì)你看到的全是假象后面所有判斷都是錯(cuò)的。第三個(gè)坑HCSL沒(méi)有端接就上電測(cè)量。一塊PCIe轉(zhuǎn)接板參考時(shí)鐘芯片輸出HCSL我直接探頭掛上去看到的是一條幾乎不動(dòng)的直線當(dāng)時(shí)以為芯片壞了。后來(lái)才反應(yīng)過(guò)來(lái)HCSL是電流驅(qū)動(dòng)沒(méi)有50Ω到地的端接就沒(méi)有電壓擺幅。加上端接電阻之后波形立刻正常。這個(gè)知識(shí)點(diǎn)寫(xiě)在手冊(cè)里但沒(méi)人點(diǎn)破的話真的會(huì)卡住。第四個(gè)坑擴(kuò)頻時(shí)鐘測(cè)頻率。有個(gè)項(xiàng)目驗(yàn)收客戶拿頻率計(jì)測(cè)到頻率在標(biāo)稱(chēng)值附近來(lái)回晃判定不合格。我查了半天最后發(fā)現(xiàn)是擴(kuò)頻功能開(kāi)著。關(guān)掉擴(kuò)頻再測(cè)頻率穩(wěn)如磐石。后來(lái)我在每個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試說(shuō)明里都加了一條測(cè)頻率前先確認(rèn)擴(kuò)頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)。第五個(gè)坑電源去耦電容離晶振太遠(yuǎn)。一塊小板子上晶振電源腳旁邊的去耦電容被layout挪到了兩厘米之外波形看著還行但相位噪聲比手冊(cè)差了十幾dB導(dǎo)致通信誤碼率偏高。把電容挪回晶振腳旁邊三毫米以內(nèi)問(wèn)題消失。去耦電容的位置比容值更重要這句話我在評(píng)審時(shí)說(shuō)了無(wú)數(shù)遍。5.3 電源與PCB層面的隱性影響因素很多差分晶振的波形問(wèn)題最后追根溯源都落在電源和PCB上而不是器件本身。這里說(shuō)幾個(gè)容易被忽視的點(diǎn)。電源紋波。差分晶振的相位噪聲對(duì)電源噪聲非常敏感尤其是在10kHz到1MHz這個(gè)頻段。如果你的系統(tǒng)里有開(kāi)關(guān)電源一定要給晶振單獨(dú)走一路LDO并且在LDO輸出加π型濾波。濾波電容的組合我一般用100nF、1uF、10uF三個(gè)并聯(lián)分別對(duì)付高頻、中頻和低頻位置按從近到遠(yuǎn)排布。地平面完整性。差分對(duì)下面要有完整的地平面中間不能有分割。如果差分線跨越了地平面的分割縫隙回流路徑被迫繞行會(huì)形成很大的環(huán)路面積輻射和共模噪聲都會(huì)惡化。這一點(diǎn)在多層板設(shè)計(jì)里要提前規(guī)劃不要等layout做完了才想起來(lái)。差分對(duì)的對(duì)稱(chēng)性。正負(fù)兩根線要等長(zhǎng)、等寬、等間距阻抗控制在100Ω差分。長(zhǎng)度失配會(huì)直接轉(zhuǎn)化為占空比偏差和共模噪聲一般要求控制在5mil以內(nèi)。如果走線要換層兩根線要同時(shí)換不要一根換一根不換。過(guò)孔和測(cè)試點(diǎn)。差分線上的測(cè)試點(diǎn)會(huì)增加寄生電容過(guò)孔會(huì)引入阻抗不連續(xù)。測(cè)試點(diǎn)盡量做小或者干脆做成焊盤(pán)讓探頭直接接觸過(guò)孔盡量少必須打的時(shí)候保證兩根線對(duì)稱(chēng)打不要一根打過(guò)孔一根走表層。散熱與機(jī)械應(yīng)力。差分晶振內(nèi)部的石英體對(duì)機(jī)械應(yīng)力敏感PCB的彎曲、焊接時(shí)的熱沖擊都會(huì)讓頻率發(fā)生偏移。在板子邊緣或者螺絲孔附近布置晶振要小心必要時(shí)留出應(yīng)力釋放槽。最后再分享一個(gè)我自己的小習(xí)慣每次調(diào)完一顆差分晶振我會(huì)把當(dāng)時(shí)的波形截圖、測(cè)量條件、探頭型號(hào)、示波器帶寬設(shè)置、端接方案一起存進(jìn)項(xiàng)目文檔。這東西平時(shí)看著沒(méi)用等到半年后同一塊板子改版或者客戶反饋問(wèn)題時(shí)翻出來(lái)對(duì)比一下往往五分鐘就能定位差異。時(shí)鐘電路的問(wèn)題很多時(shí)候不是壞了而是變了有基線數(shù)據(jù)在手判斷起來(lái)心里才有底。