로이엔텍 - 고속 디지털 설계에서 Clock의 지터 성능 분석하기 Jitter / 로데슈바르즈

안녕하세요!

이번 챕터에서는 위상잡음 분석기를 이용한 고속 디지털 설계에서 Clock의 지터 특성을 분석하는 방법에 대해서 알아 보겠습니다.

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- 그림 1 Clock Tree -

 

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고속 디지털 설계에서 데이터 속도가 증가하면서 전체 시스템이 가져가야 할 지터는 매우 빠른 값을 가져가게 됩니다. 특히 레퍼런스 클록, 클록 버퍼, 지터 감쇠기등 지터 리미트가 더 작아져 클록 트리의 다양한 컴포넌트에 적용 할 수 있습니다.

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과거부터 지금까지도 지터를 분석하는 기본적인 계측 솔루션은 오실로스코프를 이용하는 방식이였습니다.

하지만 고속 디지털 설계에서 요구하는 위상 잡음 센서티비티 및 고속 주파수를 분석하기 위해서는 오실로스코프로 제한적인 부분이 발생합니다.

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(Tech Blog, Jitter - Part2. 오실로스코프를 이용한 클럭 지터 분석 참조)

로이엔텍 - Jitter - Part2. 오실로스코프를 이용한 클럭 지터 분석 / 로데슈바르즈

 

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- 그림 2 FSWP Phase Noise Analyzer -

 

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결론적으로 고속 디지털 설계에서 클록의 지터를 측정하는 분석이 더욱더 어려워 졌습니다.. 예를 들어, PCIe 5.0은 32 GT/s(gigatransfer per second)의 데이터 속도를 지원하며, 레퍼런스 클록에 대한 해당 지터 리미트는 150 fs(RMS)입니다. 더 나아가 최신 PCIe 6.0 사양은 개선된 64 GT/s의 데이터 속도를 지원하며 레퍼런스 클록의 지터 리미트는 100 fs로 매우 빠릅니다. 따라서 이를 분석 할 수 있는 지터 측정 센서티비티를 갖추고 있는 계측기가 최신 고속 클록에서 지터를 측정하는 데 만족 할 수 있습니다.

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지터는 기본적으로 시간축에서 분석을 할 수 있는 파라미터 이지만 주파수측에서 위상잡은 노이즈는 시간축에서 다양한 지터값으로 변환되어 표현 될 수 있습니다. 따라서 높은 위상 잡음 센서티비티를 제공하는 위상 잡음 분석기는 이러한 테스트에 적합한 솔루션입니다.

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- 그림 3 SSC 적용 전 후 측정 화면 -

 

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PCIe, USB, HDMI™와 같은 기술은 EMI 효과를 최소화하기 위해 일반적으로 SSC(Spread Spectrum Clocking)를 사용하여 레퍼런스 클록에 저주파 FM을 적용합니다. SSC로 인해 클록에 추가 스트레스가 발생하므로 SSC ON 모드에서 클록 지터도 검증해야 합니다

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클록 지터 측정은 일반적으로 다음과 같이 구성 되며, 각각에 항목에 대해 알아 보겠습니다.

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1. 위상 노이즈 측정

높은 Slew rate 클록의 경우 클록 지터는 주로 클록의 위상 잡음으로 결정됩니다. 일반적으로 AM 노이즈는 클록의 높은 Slew rate로 크게 억제되기 때문에 전반적으로 클록 지터에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 정확한 클록 지터 측정을 수행하기 위해서는 위상 잡음 측정 시 높은 AM에 대한 억제가 중요합니다.

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2. 위상 노이즈 가중치 측정

PCIe와 같은 고속 기술에서 지터를 측정하려면 TX PLL, RX PLL, CDR 전송 기능의 시스템 효과를 포함해야 합니다. 설정된 지터 통합 범위에 지터를 합산하기 전에, 측정된 위상 잡음 트레이스에 이와 같이 구현된 전체 시스템 전송 기능을 가중 필터로 적용합니다.

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3. 가중 위상 노이즈 합산

일반적으로 가중 위상 잡음은 클록의 Nyquist 주파수(클록 레이트의 반)까지 더해지며, 때로는 그 이상까지 더해지는 경우도 있습니다. 그럴 경우 위상 잡음도 더 높은 주파수 오프셋까지 측정해야 합니다. 오실로 스코프 같은 경우 최대 오프셋이 제한적이나 위상 잡음 분석기 같은 경우 매우 높은 오프셋까지 분석을 지원합니다.(Ex: FSWP50, 1uHz to 40GHz offset @ 10GHz Carrier Frequency)

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- 그림 4 SSC 를 이용한 PCIe 클럭 분석 -

 

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R&S®FSWP 위상 잡음 분석기 & VCO 테스터는 디지털 복조기 설계를 이용해 위상 노이즈와 AM 노이즈를 동시에 측정하며, 위상 잡음 측정 시 AM 노이즈로 부터 오는 영향을 제거 할 수 있습니다. 이 아키텍처에서는 SSC ON 모드에서도 레퍼런스 클록을 측정할 수 있으며, 업계 최고 수준의 위상잡음 센서티비티를 제공합니다.

또한 더 낮은 위상잡음 센서티비티 분석을 위해 Cross-correlation 기술을 적요하여 측정 센서티비티를 더욱 개선할 수 있습니다. 나아가서 옵션 구성에 따라 위상 잡음 분석기 뿐만 아니라 하이엔드 스펙트럼 및 신호 분석기 기능을 제공 하여 클록 트리 구조에서 커플링 효과까지도 분석할 수 있습니다. 32 GT/s 데이터 속도에 대해서는 PCIe 5.0에 따라 총 16가지 시스템 전송 기능이 정의되어 있습니다. 각각에 대한 가중 지터 결과는 150 fs 미만이어야 합니다. SSC ON 모드에서는 가중 및 지터 통합을 적용하기 전 최대 2 MHz까지 SSC 스퍼(기본 및 하모닉)를 제거해야 합니다.

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결론적으로 R&S®FSWP는 SSC OFF 모드 및 SSC ON 모드에서 저-지터 클록을 테스트하는 데 필요한 기능을 제공합니다. 이 기능은 위상 잡음 측정 시 매우 높은 AM 억제를 제공하면서, 낮은 지터 클록에서 지터를 정밀하게 측정할 수 있어 최신 고속 디지털 설계를 구현하는데 최적의 솔루션을 제공 합니다.

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*FSWP Phase noisel & VCO Tester

https://www.rohde-schwarz.com/kr/products/test-and-measurement/phase-noise-analyzers/rs-fswp-phase-noise-analyzer-and-vco-tester_63493-120512.html

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출처 - https://blog.naver.com/rohdeschwarzkorea/223144750544

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