一種新的轉換器接口的使用率正在穩(wěn)步上升，并且有望成為未來轉換器的協議標準。這種新接口——JESD204——誕生于幾年前，其作為轉換器接口經過幾次版本更新后越來越受矚目，效率也更高。隨著轉換器分辨率和速度的提高，對更高效率接口的需求也隨之增長。JESD204接口可提供這種高效率，較之CMOS和LVDS接口產品在速度、尺寸和成本上更有優(yōu)勢。采用JESD204的設計具有更高的接口速率，能支持轉換器的更高采樣速率。此外，引腳數量的減少使得封裝尺寸更小且布線數量更少，這些都讓電路板更容易設計并且整體系統成本更低。該標準可以方便地調整，從而滿足未來需求，這從它已經歷的兩個版本的變化中即可看出。自從2006年發(fā)布以來，JESD204標準經過兩次更新，目前版本為B。由于該標準已為越來越多的轉換器供應商、用戶以及FPGA制造商所采納，它被細分并增加了新特性，提高了效率和實施的便利性。此標準既適用于模數轉換器(ADC)也適用于數模轉換器(DAC)，更重要的是作為FPGA的通用接口(也可能用于ASIC)。
JESD204 – 它是什么?
2006年4月，JESD204最初版本發(fā)布。該版本描述了轉換器和接收器(通常是FPGA或ASIC)之間幾個G比特的串行數據鏈路。在JESD204的最初版本中，串行數據鏈路被定義為一個或多個轉換器和接收器之間的單串行通道。圖1給出了圖形說明。圖中的通道代表M個轉換器和接收器之間的物理接口，該接口由采用電流模式邏輯(CML)驅動器和接收器的差分對組成。所示鏈路是轉換器和接收器之間的串行數據鏈路。幀時鐘同時送至轉換器和接收器，并為設備間的JESD204鏈路提供時鐘。
圖1. JESD204最初標準
通道數據速率定義為312.5 Mbps與3.125 Gbps之間，源阻抗與負載阻抗定義為100 Ω ±20%。差分電平定義為標稱800 mV峰峰值、共模電平范圍從0.72 V至1.23 V。該鏈路利用8b/10b編碼，采用嵌入式時鐘，這樣便無需額外的時鐘線路，避免了高數據速率下傳輸的數據與額外的時鐘信號對齊的復雜性。當JESD204標準開始被使用時，人們開始意識到該標準需要修訂以支持多個轉換器下的多路、對齊的串行通道，以滿足轉換器日益增長的速度和分辨率。
這種認識促成了2008年4月份JESD2004第一個修訂版的發(fā)布，即JESD204A。此修訂版增加了支持多個轉換器下的多路對齊串行通道的能力。該版本所支持的通道數據速率依然為312.5 Mbps至3.125 Gbps，另外還保留了幀時鐘和電氣接口規(guī)范。增加了對多路對齊串行通道的支持，可讓高采樣速率和高分辨率的轉換器達到3.125 Gbps的最高支持數據速率。圖2以圖形表示JESD204A版本中增加的功能，即支持多通道。
圖2. 第一版 – JESD204A
雖然最初的JESD204標準和修訂后的JESD204A標準在性能上都比老的接口標準要高，它們依然缺少一個關鍵因素：這一缺少的因素就是鏈路上串行數據的確定延遲。對于轉換器，當接收到信號時，若要正確重建模擬域采樣信號，則關鍵是了解采樣信號和其數字表示之間的時序關系(雖然這種情況是針對ADC而言，但DAC的情況類似)。該時序關系受轉換器的延遲影響，對于ADC,它定義為輸入信號采樣邊沿的時刻直至轉換器輸出數字這段時間內的時鐘周期數。類似地，對于DAC，延遲定義為數字信號輸入DAC的時刻直至模擬輸出開始轉變這段時間內的時鐘周期數。JESD204及JESD204A標準中沒有定義這樣一種功能——可明確地設置轉換器及其串行數字輸入/輸出的延時。另外，轉換器的速度和分辨率也不斷提升。這些因素導致了該標準的第二次修訂——JESD204B。
2011年7月，第二次修訂后的版本發(fā)布，稱為JESD204B，即當前版本。修訂后的標準中，其中一個重要方面就是加入了實現確定延遲的條款。另外，對數據速率的支持上升到了12.5 Gbps，并分成設備的不同速度等級。此修訂版標準使用設備時鐘作為主要時鐘源，而不是像之前版本那樣以幀時鐘作為主時鐘源。圖3表示JESD204B版本中的新增功能。
圖3. 第二(當前)次修訂版– JESD204B
在JESD204標準之前的兩個版本中，沒有確保通過接口的確定延遲相關的條款。JESD204B修訂版通過提供一種機制，確保兩個上電周期之間以及鏈路重新同步期間，延遲是可重現和確定性的。其工作機制之一是：在定義明確的時刻使用SYNC~輸入信號，同時初始化所有通道中轉換器最初的通道對齊序列。另一種機制是使用SYSREF信號——一種JESD204B定義的新信號。SYSREF信號作為主時序參考，對齊所有設備時鐘的內部分頻，同樣也對其在各個發(fā)射和接收端中的本地多幀時鐘。這有助于確保通過系統的確定延遲。JESD204B規(guī)范定義了三種設備子類：子類0 – 不支持確定延遲;子類1 – 使用SYSREF的確定延遲;以及子類2 – 使用SYNC~的確定延遲。子類0可與JESD204A鏈路做簡單對比。子類1最初針對工作在500MSPS或以上的轉換器，而子類2最初針對工作在500MSPS以下的轉換器。
除了確定延遲，JESD204B支持的通道數據速率上升到12.5 Gbps，并將設備劃分為三個不同的速度等級：所有三個速度等級的源阻抗和負載阻抗相同，均定義為100 Ω ±20%。第一速度等級與JESD204和JESD204A標準定義的通道數據速率相同，即通道數據電氣接口速率最高為3.125 Gbps。JESD204B的第二速度等級定義了通道數據速率最高為6.375 Gbps的電氣接口。該速度等級將第一速度等級的最低差分電平從500 mV峰峰值降為400 mV峰峰值。JESD204B的第三速度等級定義了通道數據速率最高為12.5 Gbps的電氣接口。該速度等級電氣接口要求的最低差分電平降低至360 mV峰峰值。隨著不同速度等級的通道數據速率的上升，通過降低所需驅動器的壓擺率，使得所需最低差分電平也隨之降低，以便物理實施更為簡便。
為提供更多的靈活性，JESD204B版本采用設備時鐘而非幀時鐘。在之前的JESD204和JESD204A版本中，幀時鐘是JESD204系統的絕對時間參照。幀時鐘和轉換器采樣時鐘通常是相同的。這樣就沒有足夠的靈活性，而且當要將此同一信號發(fā)送給多個設備并計數不同路徑之間的偏斜時，就會對系統設計產生不必要的復雜性。JESD204B中，采用設備時鐘作為JESD204系統每個元件的時間參照。每個轉換器和接收器分別接收由時鐘發(fā)生器電路產生的設備時鐘，該發(fā)生器電路負責從同一個源產生所有設備的時鐘。這讓系統設計更加靈活，但需為每個給定設備指定幀時鐘和設備時鐘之間的關系。
JESD204 – 為什么我們要重視它?
就像幾年前LVDS開始取代CMOS成為轉換器數字接口技術的首選，JESD204有望在未來數年內以類似的方式發(fā)展。雖然CMOS技術目前還在使用中，但已基本被LVDS所取代。轉換器的速度和分辨率以及對更低功耗的要求最終使得CMOS和LVDS將不再適合轉換器。隨著CMOS輸出的數據速率提高，瞬態(tài)電流也會增大，導致更高的功耗。雖然LVDS的電流和功耗依然相對較為平坦，但接口可支持的最高速度受到了限制。這是由于驅動器架構以及眾多數據線路都必須全部與某個數據時鐘同步所導致的。圖4顯示一個雙通道14位ADC的CMOS、LVDS和CML輸出的不同功耗要求。
圖4. CMOS、LVDS和CML驅動器功耗比較
在大約150 – 200 MSPS和14位分辨率時，就功耗而言，CML輸出驅動器的效率開始占優(yōu)。CML的優(yōu)點是：因為數據的串行化，所以對于給定的分辨率，它需要的輸出對數少于LVDS和CMOS驅動器。JESD204B接口規(guī)范所說明的CML驅動器還有一個額外的優(yōu)勢，因為當采樣速率提高并提升輸出線路速率時，該規(guī)范要求降低峰峰值電壓水平。同樣，針對給定的轉換器分辨率和采樣率，所需的引腳數目也大為減少。表1顯示采用200 MSPS轉換器的三種不同接口各自的引腳數目，轉換器具有各種通道數和位分辨率。在CMOS和LVDS輸出中，數據用作每個通道數據的同步時鐘，使用CML輸出時，JESD204B數據傳輸的最大數據速率為4.0 Gbps。從該表中可以發(fā)現，使用CML驅動器的JESD204B優(yōu)勢十分明顯，引腳數大為減少。
表1. 引腳數比較 – 200 MSPS ADC
業(yè)內領先的數據轉換器供應商ADI預見到了推動轉換器數字接口向JESD204(由JEDEC定義)發(fā)展的趨勢。ADI自從初版JESD204規(guī)范發(fā)布之時起即參與標準的定義。截至目前為止，ADI發(fā)布了多款轉換器產品，兼容JESD204和JESD204A輸出，目前正在著手開發(fā)輸出兼容JESD204B的產品。AD9639是一款四通道、12位、170/210 MSPS ADC，集成JESD204接口。AD9644和AD9641是14位、80/155 MSPS、雙通道/單通道ADC，集成JESD204A接口。DAC這方面，最近發(fā)布的AD9128是一款雙通道、16位、1.25 GSPS DAC，集成JESD204A接口。欲了解有關ADI公司兼容JESD204標準的更多產品。
隨著轉換器速度和分辨率的提高，對于效率更高的數字接口的需求也隨之增長。隨著JESD204串行數據接口的發(fā)明，業(yè)界開始意識到了這點。接口規(guī)范依然在不斷發(fā)展中，以提供更優(yōu)秀、更快速的方法將數據在轉換器和FPGA(或ASIC)之間傳輸。接口經過兩個版本的改進和實施，以適應對更高速度和分辨率轉換器不斷增長的需求。展望轉換器數字接口的發(fā)展趨勢，顯然JESD204有望成為數字接口至轉換器的業(yè)界標準。每個修訂版都滿足了對于改進其實施的要求，并允許標準演進以適應轉換器技術的改變及由此帶來的新需求。隨著系統設計越來越復雜，以及對轉換器性能要求的提高，JESD204標準應該可以進一步調整和演進，滿足新設計的需要。
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