高速A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出生存法則在于合理選擇和應(yīng)用不同類(lèi)型的輸出

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)作為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的橋梁，其性能直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和效率。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，高速A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從通信、工業(yè)控制到醫(yī)療設(shè)備，無(wú)不體現(xiàn)著其重要性。然而，在選擇高速A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出類(lèi)型成為了設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮的關(guān)鍵因素。本文將深入探討高速A/D轉(zhuǎn)換器三種最常用的數(shù)字輸出類(lèi)型——互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、低壓差分信號(hào)(LVDS)和電流模式邏輯(CML)，并總結(jié)其生存法則。

一、CMOS輸出：基礎(chǔ)與局限

在采樣速率小于200 Msps(百萬(wàn)次采樣每秒)的ADC中，CMOS輸出是非常常見(jiàn)的選擇。CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器通常由兩個(gè)晶體管(一個(gè)NMOS和一個(gè)PMOS)組成，這種結(jié)構(gòu)連接在電源(VDD)和地之間。這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使得CMOS在低速應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，具有低靜態(tài)電流和高輸入阻抗的優(yōu)點(diǎn)。

然而，隨著ADC采樣速率的提升，CMOS輸出的局限性逐漸顯現(xiàn)。首先，CMOS驅(qū)動(dòng)器在切換狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流，這在高速應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致功耗增加和電磁干擾(EMI)問(wèn)題。其次，每個(gè)ADC位都需要一個(gè)獨(dú)立的CMOS驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于高分辨率的ADC來(lái)說(shuō)，這將顯著增加輸出引腳數(shù)和功耗。最后，由于CMOS輸出的電平擺幅較大，隨著VDD的升高，功耗和噪聲問(wèn)題也會(huì)進(jìn)一步加劇。

二、LVDS輸出：速度與效率的平衡

為了克服CMOS輸出在高速應(yīng)用中的不足，LVDS(低壓差分信號(hào))輸出應(yīng)運(yùn)而生。LVDS能夠在低電壓信號(hào)(約350mV)下工作，并且采用差分信號(hào)傳輸，這使得它在高速應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

首先，LVDS的低壓擺幅使得信號(hào)切換時(shí)間更快，從而減少了EMI問(wèn)題。其次，差分信號(hào)傳輸帶來(lái)了共模抑制的好處，能夠有效消除耦合到信號(hào)路徑上的噪聲。此外，LVDS能夠以雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)模式工作，即兩個(gè)數(shù)據(jù)位可以通過(guò)同一個(gè)LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器傳輸，從而減少了引腳數(shù)和功耗。

然而，LVDS輸出也并非完美無(wú)缺。隨著ADC分辨率和采樣速率的增加，LVDS接口所需的數(shù)據(jù)輸出量會(huì)急劇增加，這對(duì)PCB布局提出了更高要求。此外，LVDS信號(hào)的阻抗控制必須非常嚴(yán)格，以確保信號(hào)的完整性和穩(wěn)定性。

三、CML輸出：未來(lái)趨勢(shì)與高性能

為了滿(mǎn)足高分辨率、高速和低功耗的需求，電流模式邏輯(CML)輸出逐漸成為高速A/D轉(zhuǎn)換器的新寵。CML輸出驅(qū)動(dòng)器通常用于JESD204接口，這種接口目前廣泛應(yīng)用于最新一代的ADC中。

CML輸出的最大優(yōu)勢(shì)在于其高數(shù)據(jù)速率和低引腳數(shù)。采用JESD204接口的CML驅(qū)動(dòng)器可以使ADC輸出端的數(shù)據(jù)速率達(dá)到12Gbps(當(dāng)前版本JESD204B規(guī)格)，并且由于時(shí)鐘內(nèi)置于8b/10b編碼數(shù)據(jù)流中，無(wú)需傳輸獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)，從而大幅減少了輸出引腳數(shù)。這對(duì)于需要小型封裝和低功耗的應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤為重要。

此外，CML驅(qū)動(dòng)器以恒定電流模式工作，這使得它在功耗方面具備顯著優(yōu)勢(shì)。在恒定電流模式下，CML驅(qū)動(dòng)器需要的輸出引腳數(shù)較少，總功耗也會(huì)相應(yīng)降低。同時(shí)，CML驅(qū)動(dòng)器也需要負(fù)載端接和受控阻抗傳輸線(xiàn)路，以確保信號(hào)的完整性和穩(wěn)定性。

四、生存法則：合理選擇與應(yīng)用

在選擇高速A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出類(lèi)型時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要綜合考慮多個(gè)因素，包括ADC的采樣速率和分辨率、輸出數(shù)據(jù)速率、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源要求以及PCB布局的復(fù)雜性等。以下是一些關(guān)鍵的生存法則：

根據(jù)采樣速率選擇輸出類(lèi)型：對(duì)于采樣速率小于200 Msps的ADC，CMOS輸出是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。而對(duì)于采樣速率超過(guò)200 Msps的應(yīng)用，LVDS和CML輸出則更具優(yōu)勢(shì)。

關(guān)注功耗和噪聲：在高速應(yīng)用中，功耗和噪聲是兩個(gè)重要的考慮因素。CML輸出以其低功耗和低噪聲特性在高性能應(yīng)用中脫穎而出。

考慮PCB布局和封裝限制：隨著ADC分辨率和采樣速率的增加，輸出引腳數(shù)和信號(hào)完整性成為PCB布局的關(guān)鍵問(wèn)題。LVDS和CML輸出在減少引腳數(shù)和簡(jiǎn)化布局方面表現(xiàn)出色。

關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)和兼容性：在選擇輸出類(lèi)型時(shí)，還需要考慮與現(xiàn)有系統(tǒng)和接口的兼容性。LVDS和CML輸出都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支持，確保了廣泛的兼容性和可靠性。

關(guān)注時(shí)序和同步問(wèn)題：在高速應(yīng)用中，時(shí)序和同步問(wèn)題尤為重要。CML輸出由于內(nèi)置時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路，能夠有效減少時(shí)序偏斜和同步問(wèn)題。

綜上所述，高速A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出生存法則在于合理選擇和應(yīng)用不同類(lèi)型的輸出。通過(guò)綜合考慮采樣速率、功耗、噪聲、PCB布局和兼容性等多個(gè)方面，設(shè)計(jì)人員可以為特定的應(yīng)用場(chǎng)景選擇最適合的輸出類(lèi)型。以下是對(duì)上述生存法則的進(jìn)一步細(xì)化和拓展。