PCI-SIG將PCIe的鎖相回路(PLL)列為基本測(cè)試項(xiàng)目，目前有幾種可用于執(zhí)行該測(cè)試的手法。本文中將以PCIe 2.0的規(guī)格要求為例，概述幾種較為常見(jiàn)的方法，并針對(duì)其優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)單比較。

為了在系統(tǒng)中控制抖動(dòng)抑制效能，PCIe 2.0規(guī)定了板載PLL的操作回路回應(yīng)特性，特別是最小和最大的PLL回路帶寬和峰值。表1列出了規(guī)格中所述的這些PLL回應(yīng)特性。
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目前有幾種量測(cè)PLL回路響應(yīng)的方法，取決于所使用的測(cè)試儀器類(lèi)型。正如預(yù)期，這些方法都會(huì)在測(cè)試準(zhǔn)確度、測(cè)試速度(吞吐量)、易用性、易設(shè)定性及初始成本等方面有所取舍。此外，有些方法還具有不同的限制，造成其無(wú)法普遍用于所有的PLL類(lèi)型。

雖然所有的方法均可測(cè)試對(duì)規(guī)格要求的兼容性，不過(guò)，有些方法可提供額外的實(shí)用數(shù)據(jù)，讓頻率設(shè)計(jì)人員能優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

為了維持一致性和可重復(fù)性，所有的方法均假定采用SIG提供的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試夾具，即兼容性基板(CBB) 2.0版。

以頻譜分析儀為基礎(chǔ)的量測(cè)是分析PLL回路回應(yīng)的傳統(tǒng)方法(圖1)。此方法將采用兩部?jī)x器；具有掃描功能的正弦訊號(hào)產(chǎn)生器，以及頻譜分析儀。訊號(hào)產(chǎn)生器用于調(diào)變的參考頻率工作周期，而發(fā)射頻率輸出則是在連接頻譜分析儀的數(shù)據(jù)信道上進(jìn)行量測(cè)。

圖1　以頻譜分析儀為基礎(chǔ)的測(cè)試。

頻譜分析儀測(cè)試法僅適用特定PLL拓?fù)湫蛻B(tài)

因?yàn)橥接嵦?hào)產(chǎn)生器以追蹤頻譜分析儀的本地振蕩器方法并不實(shí)際，量測(cè)作業(yè)是由繪制峰值振幅量測(cè)的封包使用大多數(shù)頻譜分析儀中所提供的「峰值保持」功能來(lái)進(jìn)行。振蕩器會(huì)連續(xù)掃頻，比頻譜分析儀的掃描速度快得多。

輸出頻譜會(huì)顯示峰值和數(shù)據(jù)速率基波和所有諧波，且側(cè)頻帶斜率是PLL帶寬的曲線(xiàn)圖。因?yàn)榉治鰞x的輸出為絕對(duì)值，所以不會(huì)進(jìn)行縮放。相反，相關(guān)的量測(cè)是使用配對(duì)的增量光標(biāo)(若可用)或手動(dòng)使用單一光標(biāo)(記錄絕對(duì)標(biāo)稱(chēng)值和峰值，并從中減去測(cè)試極限)來(lái)進(jìn)行。

調(diào)變參考頻率的方法對(duì)此測(cè)試方法能否具備普遍適用性具有一定的影響力。在此測(cè)試方法中，CBB上的焊接式跳線(xiàn)配置為差動(dòng)測(cè)試訊號(hào)與CBB上產(chǎn)生的100MHz振蕩器的總和。外部的BALUN會(huì)放置于訊號(hào)產(chǎn)生器與主板上的求和點(diǎn)之間，以調(diào)變差動(dòng)頻率的兩個(gè)部分。結(jié)果是振幅-調(diào)變頻率訊號(hào)的交叉點(diǎn)基本上是由外部正弦來(lái)源從差動(dòng)訊號(hào)的中心移動(dòng)。

因?yàn)榻徊纥c(diǎn)已改變，并非100MHz參考振蕩器的頻率，所以此方法實(shí)際上會(huì)調(diào)變PLL參考的工作周期。這對(duì)單邊緣相位偵測(cè)器而言，將呈現(xiàn)為相位調(diào)變，因此在這個(gè)測(cè)試案例中是可行的。然而，若要在高達(dá)5GT/s的設(shè)計(jì)上減少抖動(dòng)，許多設(shè)計(jì)人員將會(huì)選擇采用PLL設(shè)計(jì)(在上升和下降邊緣比較相位)，以降低相乘比率。 這類(lèi)PLL僅會(huì)追蹤頻率的總周期，不會(huì)響應(yīng)工作周期變化。此時(shí)便無(wú)法便使用此參考調(diào)變方法來(lái)分析其特性。

由于PLL參考的相位調(diào)變是由振幅調(diào)變(AM)100MHz參考頻率而產(chǎn)生，因此頻譜分析儀上的側(cè)頻帶包含調(diào)幅和調(diào)頻(FM)成分。工程師在解譯結(jié)果時(shí)，必須需格外謹(jǐn)慎，以確保量測(cè)所得的數(shù)據(jù)僅包含PLL帶寬。

如同所有使用掃頻外差頻譜分析儀所進(jìn)行的量測(cè)，帶寬分辨率和掃描時(shí)間之間存在著直接的取舍問(wèn)題。由于測(cè)試極限范圍縮小至個(gè)位數(shù)MHz，即需要相對(duì)較低 的頻率分辨率帶寬(通常是30kHz)。 外差頻譜分析儀中的偵測(cè)器僅會(huì)量測(cè)幅度，所以無(wú)法使用回路響應(yīng)的相位數(shù)據(jù)。雖然對(duì)于基礎(chǔ)規(guī)格的測(cè)試兼容性并不要求相位，不過(guò)，頻率設(shè)計(jì)者仍可將其用于確定PLL相位余裕，這對(duì)評(píng)估設(shè)計(jì)而言是一個(gè)非常有力的工具。

以頻譜分析儀為基礎(chǔ)的方法提供了寬動(dòng)態(tài)范圍的振幅，可有效簡(jiǎn)化測(cè)試設(shè)定。振幅分辨率限制在約1dB或略佳的實(shí)用值，在峰值僅有1dB的情況下測(cè)試帶寬時(shí)，此值將為余裕。

測(cè)試設(shè)定有些復(fù)雜，需要設(shè)定訊號(hào)產(chǎn)生器的操作參數(shù)及頻譜分析儀的量測(cè)參數(shù)。在設(shè)定訊號(hào)產(chǎn)生器振幅時(shí)務(wù)必小心謹(jǐn)慎，以避免過(guò)度驅(qū)動(dòng)CBB求和節(jié)點(diǎn)。預(yù)先儲(chǔ)存的設(shè)定可以用來(lái)簡(jiǎn)化此程序；然而，所產(chǎn)生的曲線(xiàn)圖仍需要進(jìn)行一些解譯和手動(dòng)光標(biāo)掃描，以讀取參數(shù)值。

手動(dòng)放置游標(biāo)常常是在量測(cè)中誤差和不可重復(fù)性的來(lái)源。在一些情況下，DUT具有與頻率數(shù)據(jù)速率不相關(guān)的抖動(dòng)頻譜分量，如切換電源的諧波為例。這些峰值可能會(huì)發(fā)生在正在進(jìn)行PLL響應(yīng)量測(cè)的基線(xiàn)區(qū)域，造成用戶(hù)無(wú)法在實(shí)際軌跡上放置量測(cè)光標(biāo)，導(dǎo)致用戶(hù)需猜測(cè)峰值是否在此位置。

示波器分辨率優(yōu)于頻譜分析儀　然亦受限于PLL拓?fù)?/h2>

以示波器為基礎(chǔ)的方法使用了數(shù)字示波器來(lái)代替頻譜分析儀。最直接的方法是使用示波器的FFT能力來(lái)產(chǎn)生頻域數(shù)據(jù)。相較于頻譜分析儀，此方法提供了幾項(xiàng)改善功能：頻率分辨率是采樣率和內(nèi)存長(zhǎng)度的函數(shù)，可針對(duì)量測(cè)的要求進(jìn)行優(yōu)化處理。訊號(hào)擷取和量測(cè)吞吐量的速度遠(yuǎn)優(yōu)于頻譜分析儀中的慢速掃描本地振蕩器。

相較之下，動(dòng)態(tài)范圍小一個(gè)數(shù)量級(jí)，要求示波器在量測(cè)之前設(shè)定適當(dāng)?shù)谋壤蜃?，分辨率比頻譜分析儀更好。但是，最佳示波器的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)準(zhǔn)確為+/-1dB量級(jí)，將量測(cè)準(zhǔn)確度限制至約1dB。垂直縮放功能在本質(zhì)上為線(xiàn)性函數(shù)，需要參數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算以轉(zhuǎn)換為dB。

與頻譜分析儀不同的是，在示波器中的FFT計(jì)算可產(chǎn)生相位回應(yīng)及大小。

以示波器為基礎(chǔ)的方法使用與頻譜分析儀方法相同的訊號(hào)產(chǎn)生器組態(tài)，因此這兩種方法均需要額外的儀器，也同樣無(wú)法與PLL搭配使用，進(jìn)而需采用兩部邊緣相位偵測(cè)器。

誤碼率測(cè)試儀方法又快又精準(zhǔn)

高效能誤碼率測(cè)試儀(BERT)可配置為直接量測(cè)PLL回路響應(yīng)(圖2)。BERT 同時(shí)具有刺激和量測(cè)能力，可讓用戶(hù)以單一儀器來(lái)執(zhí)行此測(cè)試。針對(duì)PLL量測(cè)，BERT必須可利用正確的直流偏移，將「壓力」(校準(zhǔn)的抖動(dòng))注入碼型產(chǎn)生器100MHz差動(dòng)輸出。

圖2　使用BERT進(jìn)行PLL量測(cè)。

以BERT為基礎(chǔ)的量測(cè)使用與頻譜分析儀和示波器方法不同的方法來(lái)刺激待測(cè)PLL。BERT并不是將失真的訊號(hào)總結(jié)入兼容性基板上所產(chǎn)生的100MHz參考振蕩器，而是透過(guò)對(duì)碼型產(chǎn)生器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)來(lái)提供參考訊號(hào)，以200Mbit/s的速率輸出1010碼型(頻率)。這相當(dāng)于100MHz的差動(dòng)頻率。應(yīng)力產(chǎn)生器設(shè)定為將正弦抖動(dòng)注入至碼型輸出，可針對(duì)波形的周期進(jìn)行相位調(diào)變。此組態(tài)要求CBB上的電阻器/跳線(xiàn)需設(shè)為外部參考頻率輸入。

在待測(cè)PLL輸出中的直通抖動(dòng)是由BERT誤碼儀量測(cè)而得。透過(guò)步進(jìn)調(diào)整正弦抖動(dòng)應(yīng)力的頻率，即可產(chǎn)生抖動(dòng)轉(zhuǎn)移函數(shù)曲線(xiàn)圖。額外的數(shù)學(xué)處理功能則可產(chǎn)生PLL回路響應(yīng)曲線(xiàn)圖。

如同以示波器為基礎(chǔ)的方法，使用者可手動(dòng)執(zhí)行此量測(cè)。然而，已錄制好的軟件選項(xiàng)將會(huì)自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，盡可能地減少了潛在的使用者錯(cuò)誤；同時(shí)還可加快量測(cè)速度，并提供直接的通過(guò)/失敗測(cè)試。

相較于頻譜分析儀或示波器可提供的功能，以BERT為基礎(chǔ)的量測(cè)提供了更高的準(zhǔn)確度和可重復(fù)性。透過(guò)自動(dòng)化軟件，用戶(hù)只需要幾秒鐘就可得到準(zhǔn)確結(jié)果。

頻率資料回復(fù)儀適用各類(lèi)PLL拓?fù)?/h2>

高效能頻率數(shù)據(jù)回復(fù)儀器可用于量測(cè)PLL回路回應(yīng)(圖3)。相較于前述其他方法，此方法提供了幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。這些儀器在本質(zhì)上屬于「儀器等級(jí)」的頻率數(shù)據(jù)回復(fù)單元，使用復(fù)雜的PLL設(shè)計(jì)，可在廣泛頻率頻率上操作，并具有校準(zhǔn)和使用者可程序設(shè)計(jì)的回路響應(yīng)。為了利于進(jìn)行自我校準(zhǔn)，這些儀器包含直接數(shù)字合成器(DDS)以生產(chǎn)各種訊號(hào)。

圖3　頻率數(shù)據(jù)回復(fù)儀器量測(cè)方法。

DDS的輸出可在PLL測(cè)試組態(tài)中由外部提供，以作為參考頻率。如同以BERT為基礎(chǔ)的測(cè)試方法，頻率數(shù)據(jù)回復(fù)儀器方法僅需單一儀器即可產(chǎn)生刺激并量測(cè)輸出。

然而，DDS來(lái)源頻率數(shù)據(jù)回復(fù)儀器為基礎(chǔ)的方法確實(shí)與頻譜分析儀及示波器方法不同，其參考訊號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)程序設(shè)計(jì)以維持完美的 50%工作周期。這可讓使用者進(jìn)行所有的PLL拓?fù)渫ㄓ脺y(cè)試，包括具有雙邊緣相位偵波器?？稍谡{(diào)變參考相位時(shí)維持50%工作周期的功能是以BERT或頻率數(shù)據(jù)回復(fù)為基礎(chǔ)的測(cè)試方法的獨(dú)特內(nèi)建功能。

來(lái)自兼容性基板上用戶(hù)選定信道的輸出訊號(hào)會(huì)路由至頻率數(shù)據(jù)回復(fù)儀器的數(shù)據(jù)輸入接頭。在此處，頻率會(huì)透過(guò)儀器的精密PLL進(jìn)行回復(fù)。相位誤差偵測(cè)器的輸出會(huì)進(jìn)行數(shù)字化并處理，以確定相對(duì)相位誤差。來(lái)自數(shù)字化波形的正弦和余弦數(shù)據(jù)會(huì)用來(lái)計(jì)算通過(guò)待測(cè)PLL的相位調(diào)變的相位和幅度(相對(duì)于頻率)。因?yàn)橄辔徽`差量測(cè)會(huì)同步至參考頻率的調(diào)變，所以可針對(duì)量測(cè)建立關(guān)聯(lián)，以有效將動(dòng)態(tài)范圍提高到75dB以上。

相較于其他方法，除了在調(diào)變測(cè)試訊號(hào)的相位時(shí)維持50%的工作因子，以頻率數(shù)據(jù)回復(fù)為基礎(chǔ)的方法還提供了幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。在維持由頻譜分析儀提供的動(dòng)態(tài)范圍之外，還可能具備0.01dB的振幅分辨率，這提供了最高的準(zhǔn)確度和量測(cè)可重復(fù)性。

同時(shí)，這種方法也具有高頻率分辨率，且在不到10秒的時(shí)間內(nèi)即可產(chǎn)生一個(gè)完整的量測(cè)。量測(cè)方法本身即會(huì)產(chǎn)生相位圖及大小。雖然在驗(yàn)證兼容性時(shí)僅需要在-3dB點(diǎn)的頻率和峰值位準(zhǔn)，不過(guò)，額外的相位圖可讓使用者用于判定其PLL設(shè)計(jì)的相位余裕；這是一個(gè)非常強(qiáng)大的設(shè)計(jì)評(píng)估工具。最后，此方法也能產(chǎn)生PLL 增益(亦稱(chēng)為抖動(dòng)傳遞函數(shù)，JTF)圖。

量測(cè)PCIe鎖相回路　BERT/頻率資料回復(fù)最理想

本文中所介紹的四種方法均可執(zhí)行PCIe 2.0基本規(guī)格要求的PLL回路響應(yīng)量測(cè)；然而，僅有由頻率數(shù)據(jù)回復(fù)所共享的相位調(diào)變方法和以BERT為基礎(chǔ)的方法可與所有PLL設(shè)計(jì)搭配使用。這些方法在設(shè)定及結(jié)果解釋的復(fù)雜性、分辨率和準(zhǔn)確度、可重復(fù)性和初始成本等方面有顯著不同。

以頻率數(shù)據(jù)回復(fù)為基礎(chǔ)的方法是單一儀器解決方案，能以最簡(jiǎn)單的設(shè)定和最低的成本提供高準(zhǔn)確度、高分辨率和可重復(fù)性；亦具有提供額外數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，可讓PLL設(shè)計(jì)人員更充分地了解其設(shè)計(jì)的效能。