內(nèi)建式抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)（中）
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《圖十 抖動(dòng)放大電路時(shí)序圖：(a)Case 1 : tf>ts2；(b)Case 2 : tf≈ts2；(c)Case 3 : tf
所以在此頻段操作因有足夠的穩(wěn)態(tài)區(qū)間（stable region），其經(jīng)決策電路后產(chǎn)生之輸出相位差fOUT相較于輸入相位差fIN幾乎能維持定值，也就代表放大倍率A為constant。但若當(dāng)待測(cè)時(shí)脈頻率上升后，如圖十(b)所示，隨著訊號(hào)周期縮短tf之發(fā)生點(diǎn)提前，在tf非常接近但大于ts2時(shí)，抖動(dòng)放大電路依然可勉強(qiáng)維持住放大倍率，所以此時(shí)即稱為操作臨界值。但假若不幸在所使用的應(yīng)用中tf發(fā)生較大的變異或是操作頻率繼續(xù)往上升，導(dǎo)致ts2比tf晚發(fā)生，則放大倍率將開始產(chǎn)生非線性的變化。
從圖十(c)可觀察出在正常的操作模式下f1與f2最后皆會(huì)回到穩(wěn)態(tài)位準(zhǔn)VH、VL。但假若轉(zhuǎn)態(tài)邊緣tf在尚未穩(wěn)定前就出現(xiàn)，則f1與f2之電壓會(huì)被強(qiáng)制維持在新的位準(zhǔn)上，也就是VH’（=VH-ΔV）與VL’（= VL +ΔV）。這個(gè)現(xiàn)象雖對(duì)于第一個(gè)周期（initial stage）之放大倍率沒有造成影響，但是從圖中得知，在下一個(gè)周期（next stage）中因?yàn)閒1、f2電壓起始位準(zhǔn)點(diǎn)有了變化，所以經(jīng)充電后與臨界電壓Vth的交點(diǎn)必然隨之改變。換句話說就是voltage domain variation將轉(zhuǎn)換成time domain之phase error，此時(shí)即會(huì)造成放大倍率變動(dòng)。因此周期對(duì)周期抖動(dòng)放大電路需操作在wide range之應(yīng)用時(shí)，就必需利用一些機(jī)制控制穩(wěn)態(tài)時(shí)間點(diǎn)ts比負(fù)緣轉(zhuǎn)態(tài)點(diǎn) tf早發(fā)生，如此才不會(huì)造成放大倍率的失真。有鑒于此，本文將提出一個(gè)使用脈波吞噬觀念之單擷取量測(cè)方式來改善之。
脈波吞噬之單擷取量測(cè)方式
《圖十一 脈波吞噬概念圖》
以上述討論可知，若要實(shí)現(xiàn)tsf，不外乎是將穩(wěn)態(tài)時(shí)間點(diǎn)往前拉會(huì)或者是延遲負(fù)緣轉(zhuǎn)態(tài)點(diǎn)產(chǎn)生之時(shí)間。以電路實(shí)現(xiàn)角度而言，因ts是電流對(duì)負(fù)載充電后所產(chǎn)生的電壓與高電位VH之交集，所以電流越大、回到穩(wěn)態(tài)點(diǎn)能力越強(qiáng)，相對(duì)其出現(xiàn)時(shí)間會(huì)越早。但抖動(dòng)放大的產(chǎn)生就是藉由不同速率電流之差所得，想必然放大倍率也將受到影響。所以為了兼顧放大倍率與電流量間trade-off，本文將采用延遲tf之作法來維持不同操作頻率下的抖動(dòng)放大倍率。
如圖十一case1所示為一低頻操作時(shí)的示意圖。為了讓抖動(dòng)放大電路的放大倍率維持定值，待測(cè)訊號(hào)的ts必需小于tf，而worst case會(huì)發(fā)生在ts等于tf的時(shí)間點(diǎn)，此時(shí)穩(wěn)態(tài)區(qū)間幾乎會(huì)近似于零，也就是說放大倍率會(huì)非常不穩(wěn)定。
為了改善這個(gè)問題，以先前的說法就必需將tf時(shí)間點(diǎn)做延遲。簡(jiǎn)單來看就是把測(cè)試速度放慢，利用脈波吞噬電路移除掉0.5個(gè)周期，來換取穩(wěn)態(tài)區(qū)間之寬度。如圖所示，若把case1的訊號(hào)做處理后成為TAIn1，其負(fù)緣轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間往后延遲了Δτ（=tfn-tf=Tcycle/2），這代表著穩(wěn)態(tài)區(qū)間隨之放大2倍。因此若把待測(cè)訊號(hào)的頻率增加后，其因具有足夠的穩(wěn)態(tài)時(shí)間，所以放大倍率將不受到clock variation和頻率變動(dòng)之影響。
但在圖十一 Case2中，待測(cè)時(shí)脈訊號(hào)操作速度持續(xù)上升（約為Case1的兩倍），可以很明顯觀察到若不采用脈波吞噬機(jī)制，ts已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了tf，此時(shí)抖動(dòng)放大電路之放大倍率已為非線性操作；但若加入脈波吞噬的機(jī)制后，因待測(cè)訊號(hào)速度太快，在相同充放電的速率條件下，ts也非?？拷黷fn，放大倍率變異的問題還是存在。所以由此可知真正要達(dá)到wide range的操作，不管在任何頻率下，皆需要擁有相同的穩(wěn)態(tài)區(qū)間，才會(huì)真正得到constant之放大倍率。有鑒于此，我們將脈波吞噬的機(jī)制稍做修改，將不再維持固定移除0.5個(gè)周期，而是隨著待測(cè)物的頻率每增加一倍而隨之變化，其remove number可由公式二表示之：
《公式二》
其中N為頻率變化率。在本文中所提出的例子因?yàn)橐_(dá)到數(shù)十MHz~1.6GHz之操作，所以將100MHz定為基準(zhǔn)，頻率每增加一倍就必需改變r(jià)emove number來維持放大倍率。如圖十二所示。
《圖十二 于各操作頻段間之脈波吞噬概念圖》
以電路的角度而言，要實(shí)現(xiàn)圖十二脈波吞噬電路其實(shí)不難，只要將待測(cè)訊號(hào)依頻段經(jīng)過相對(duì)應(yīng)的除頻器即可實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際上若直接把待測(cè)訊號(hào)經(jīng)過除頻器來達(dá)到脈波吞噬，依參考文獻(xiàn)[9]之說法，該訊號(hào)的抖動(dòng)也同時(shí)間會(huì)被放大，約為 √n倍。此外，除16的電路最少需要4組DFF來實(shí)現(xiàn)，代表待測(cè)訊號(hào)到達(dá)抖動(dòng)放大電路前就必需經(jīng)過許多transistor，進(jìn)而受到power noise或是thermal noise干擾導(dǎo)致抖動(dòng)上升，這將會(huì)嚴(yán)重影響量測(cè)準(zhǔn)確度。
評(píng)論