負壓產生器之雜訊頻譜量測與分析

在這次的研究中，我們試著將負壓產生器整合進光接收器系統中，但由於在 雜訊防護的議題上考慮不周詳，導致負壓產生器的雜訊經由基板耦合到輸出訊號 中，而為了排除基板雜訊干擾，於是將負壓產生器與光接收器的基板分開如圖 4.19 所示，在關閉輸入光訊號的條件下利用頻譜分析儀進行光接收器輸出端 (Output)的量測，量測結果如圖 4.20‧在尚未排除基板雜訊干擾時，光接收器輸 出端的雜訊能量分佈相當混亂，影響訊號的程度相當嚴重，如圖 4.20(a)；而當 排除基板雜訊干擾後，光接收器輸出端的雜訊能量分佈則有大幅度的改善，已經 不會影響到訊號的測試，如圖 4.20(b)‧而在雜訊防護議題方面，若要有效地防 止基板雜訊的耦合，除了盡可能地將雜訊源遠離類比電路外，還需在雜訊源與類 比電路之間鋪上防護層(shielding)並且連接到額外的地(GND)來吸收雜訊‧

OEIC

VPD VPD

Enable Disable

Enable Disable

OEIC

Output

Chip1 Chip2

圖 4.19 基板雜訊干擾排除之示意圖

(a) frequency step=298MHz (b) frequency step=298MHz

圖 4.20 (a)排除基板雜訊干擾前與 (b)排除基板雜訊干擾後的頻譜量測

63

接著，為了更加確定雜訊來源是因為時脈的存在，首先必頇先對時脈造成的 雜訊進行了解‧由於時脈是個方波訊號，理想上的方波訊號在高等數學的分析上 為一個基頻的正弦波(Sine Wave)再加上奇數倍頻的正弦波所組成，這些奇數倍 頻的正弦波稱為奇次諧波(Odd-Order Harmonics)，因此理想的方波訊號在頻譜 分析儀上的表現應為除了在基頻上有著能量外，在奇數倍頻的頻率上也會存在著 能量‧因此回過頭來觀察圖 4.21(a)的頻譜表現，假設頻率點 104MHz 為一個基 頻頻率，那麼在 312MHz(3 倍頻)、520MHz(5 倍頻)…等等，在奇數倍頻上都可 以找到能量的存在，因此從這個現象可以推測應存在一個頻率為 104MHz 的時 脈訊號‧但除了奇數頻外，在偶數倍頻上(2 倍頻、4 倍頻…)也發現有偶次諧波 (Even-Order Harmonics)的存在，因此可以推測，這個 104MHz 的時脈訊號不 是一個純正的方波訊號，因為失真的關係而產生了偶次諧波‧另外，在頻譜上也 觀察到有較小能量的諧波，此諧波的頻率關係與 104MHz 時脈的諧波關係相同，

但基頻落在 54.8MHz 上，這就表示有另一個 54.8MHz 的時脈訊號的存在‧回到 電路上來看，環震盪器(Ring Oscillator)之後接上兩組串聯的除二除頻器產生了 100MHz、50MHz 與 25MHz 的時脈訊號，其中前面兩個時脈訊號的存在由頻譜 上面已經得到驗證，但 25MHz 的時脈訊號在頻譜上不存在的原因，是因為這些 雜訊是透過耦合(Coupling)的方法而出現在光接收器輸出端上，因此不同頻率的 雜訊經過 1/SC 的阻抗之後會有不同的強度表現，因此在頻譜上 25MHz 的訊號 強度因為過於微弱而無法展現出來‧而當磁滯比較器將驅動 Boosted Charge Pump 的時脈頻率從 100MHz 切換到 25MHz 時，從圖 4.21(b)的頻譜上便可以 看得出 25MHz 基頻能量的出現，這是因為此時負壓產生器的時脈頻率以 25MHz 為主，因此能量較強‧從圖 4.22(a)(b)的作圖可以看出高次諧波與一次諧波(基頻) 的頻率關係接近整數倍的關係，此圖橫軸為整數 N 的計數，縱軸為高次諧波除 以一次諧波的值，做出趨勢線後發現兩條斜直線的斜率趨近於 1，因此驗證了前 面所做的關於高次諧波的推測，意即雜訊來自於時脈訊號的存在‧

最後，圖 4.23 為此次研究在國家晶片中心下線的晶片照相圖‧

64

(a) frequency step=298MHz Ring

Oscillator 100MHz

DFF DFF

CLK_out

2 2

(b) frequency step=298MHz Ring

Oscillator 100MHz

DFF DFF

CLK_out

2 2

圖 4.21(a)100MHz 與 (b)25MHz 時脈頻率下 的光接收器輸出端頻譜量測圖 Switch condition

Switch condition

65

(a) (b)

圖 4.22 高次諧波整數倍頻驗證圖 (a)100MHz (b)50MHz

圖 4.23 晶片照相圖

66