高速A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸出生存法則

設(shè)計(jì)人員有各種模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可以選擇，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出類型是選擇過程中需要考慮的一項(xiàng)重要參數(shù)。目前，高速轉(zhuǎn)換器三種最常用的數(shù)字輸出是互補(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)。

ADC中每種數(shù)字輸出類型都各有優(yōu)劣，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)特定應(yīng)用仔細(xì)考慮。這些因素取決于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，以及其他因素。

本文將討論每種輸出類型的電氣規(guī)格，及其適合特定應(yīng)用的具體特點(diǎn)。我們將從物理實(shí)現(xiàn)、效率以及最適合每種類型的應(yīng)用這些方面來對(duì)比這些不同類型的輸出。

CMOS數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器

在采樣速率小于200 Msps (ms/sec)的ADC中，CMOS是很常見的數(shù)字輸出。典型的CMOS驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)晶體管（一個(gè)NMOS和一個(gè)PMOS）組成，連接在電源(VDD)和地之間，如圖1a所示。這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致輸出反轉(zhuǎn)，因此，可以采用圖1b所示的背對(duì)背結(jié)構(gòu)作為替代方法，避免輸出反轉(zhuǎn)。

輸出為低阻抗時(shí)，CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器的輸入為高阻抗。在驅(qū)動(dòng)器的輸入端，由于柵極與導(dǎo)電材料之間經(jīng)柵極氧化層隔離，兩個(gè)CMOS晶體管的柵極阻抗極高。輸入端阻抗范圍可達(dá)k?至M?級(jí)。

在驅(qū)動(dòng)器輸出端，阻抗由漏電流ID控制，該電流通常較小。此時(shí)，阻抗通常小于幾百?。CMOS的電平擺幅大約在VDD和地之間，因此可能會(huì)很大，具體取決于VDD幅度。

圖1：典型CMOS數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器

由于輸入阻抗較高，輸出阻抗較低，CMOS的優(yōu)勢(shì)之一在于通常可以用一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)多個(gè)CMOS輸入。

CMOS的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是低靜態(tài)電流。唯一出現(xiàn)較大電流的情況是CMOS驅(qū)動(dòng)器上發(fā)生切換時(shí)。無論驅(qū)動(dòng)器處于低電平（拉至地）還是高電平（拉至VDD），驅(qū)動(dòng)器中的電流都極小。但是，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器從低電平切換到高電平或從高電平切換到低電平時(shí)，VDD與地之間會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)低阻抗路徑。該瞬態(tài)電流是轉(zhuǎn)換器速度超過200MSPS時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器中采用其他技術(shù)的主要原因。

另一個(gè)原因是轉(zhuǎn)換器的每一位都需要CMOS驅(qū)動(dòng)器。如果轉(zhuǎn)換器有14位，就需要14個(gè)CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器來傳輸每一位。一般會(huì)有一個(gè)以上的轉(zhuǎn)換器置于單個(gè)指定封裝，常見為八個(gè)。

采用CMOS技術(shù)時(shí)，意味著數(shù)據(jù)輸出需要高達(dá)112個(gè)輸出引腳。從封裝角度來看，這不太可能實(shí)現(xiàn)，而且還會(huì)產(chǎn)生高功耗，并使電路板布局變得更加復(fù)雜。為了解決這些問題，我們引入了使用LVDS的接口。

LVDS數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器

與CMOS技術(shù)相比，LVDS具備一些明顯優(yōu)勢(shì)。它可以在低電壓信號(hào)（約350mV）下工作，并且為差分而非單端。低壓擺幅具有較快的切換時(shí)間，可以減少EMI問題。

差分這一特性可以帶來共模抑制的好處。這意味著耦合到信號(hào)的噪聲對(duì)兩個(gè)信號(hào)路徑均為共模，大部分都可被差分接收器消除。

LVDS中的阻抗必須更加嚴(yán)格控制。在LVDS中，負(fù)載阻抗應(yīng)約為100?，通常通過LVDS接收器上的并聯(lián)端接電阻實(shí)現(xiàn)。此外，LVDS信號(hào)還應(yīng)采用受控阻抗傳輸線進(jìn)行傳輸。差分阻抗保持在100?時(shí)，所需的單端阻抗為50?。圖2所示為典型LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器。

圖2：典型LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器

如圖2中LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所示，電路工作會(huì)在輸出電源產(chǎn)生固定直流負(fù)載電流。這可以避免輸出邏輯狀態(tài)躍遷時(shí)典型CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器中出現(xiàn)的電流尖峰。電路中的標(biāo)稱拉電流/灌電流設(shè)為3.5mA，使得端接電阻100?時(shí)典型輸出電壓擺幅為350mV。電路的共模電平通常設(shè)為1.2V，兼容3.3V、2.5V和1.8V電源電壓。

有兩種書面標(biāo)準(zhǔn)可用來定義LVDS接口。最常用的標(biāo)準(zhǔn)之一是ANSI/TIA/EIA-644規(guī)格，標(biāo)題為《低壓差分信號(hào)(LVDS)接口電路的電氣特性》。另一種是IEEE標(biāo)準(zhǔn)1596.3，標(biāo)題為《可擴(kuò)展一致性接口(SCI)的低壓差分信號(hào)IEEE標(biāo)準(zhǔn)》。

LVDS需要多加注意信號(hào)路由的物理布局，但在采樣速率達(dá)到200MSPS或更高時(shí)可以為轉(zhuǎn)換器提供許多優(yōu)勢(shì)。LVDS的恒定電流使得許多輸出都能受到驅(qū)動(dòng)，無需CMOS要求的大量電流吸取。

此外，LVDS還能以雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)模式工作，其中兩個(gè)數(shù)據(jù)位可以通過同一個(gè)LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器。與CMOS相比，可以減少一半的引腳數(shù)。

同時(shí)，還降低了等量數(shù)據(jù)輸出的功耗。對(duì)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出而言，LVDS確實(shí)相比CMOS具有諸多優(yōu)勢(shì)，但也和CMOS一樣存在一些限制。隨著轉(zhuǎn)換器分辨率的增加，LVDS接口所需的數(shù)據(jù)輸出量會(huì)變得更難針對(duì)PCB布局進(jìn)行管理。而且，轉(zhuǎn)換器的采樣率最終會(huì)使接口所需的數(shù)據(jù)速率超出LVDS的能力。

CML輸出驅(qū)動(dòng)器

轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸出接口的最新趨勢(shì)是使用具有電流模式邏輯(CML)輸出驅(qū)動(dòng)器的串行接口。通常，高分辨率（≥14位）、高速(≥200 Msps)和需要小型封裝與低功耗的轉(zhuǎn)換器會(huì)使用這些類型的驅(qū)動(dòng)器。CML輸出驅(qū)動(dòng)器用在JESD204接口，這種接口目前用于最新轉(zhuǎn)換器。

采用具有JESD204接口的CML驅(qū)動(dòng)器后，轉(zhuǎn)換器輸出端的數(shù)據(jù)速率可達(dá)12Gbps（當(dāng)前版本JESD204B規(guī)格）。此外，需要的輸出引腳數(shù)也會(huì)大幅減少。時(shí)鐘內(nèi)置于8b/10b編碼數(shù)據(jù)流，因此無需傳輸獨(dú)立時(shí)鐘信號(hào)。

數(shù)據(jù)輸出引腳數(shù)量也得以減少，最少只需兩個(gè)。由于轉(zhuǎn)換器的分辨率、速度和通道數(shù)增加，數(shù)據(jù)輸出引腳的數(shù)量可調(diào)整到適應(yīng)所需的更高吞吐量。但是，由于CML驅(qū)動(dòng)器采用的接口通常為串行接口，引腳數(shù)的增加與CMOS或LVDS相比要小得多。（CMOS或LVDS中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為并行數(shù)據(jù)，需要的引腳數(shù)多得多。）

表1所示為采用80Msps轉(zhuǎn)換器的三種不同接口，轉(zhuǎn)換器具有各種通道數(shù)和位分辨率。在CMOS和LVDS輸出中，數(shù)據(jù)用作每個(gè)通道數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘，使用CML輸出時(shí)，JESD204數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率為3.2Gbps。察看該表可以發(fā)現(xiàn)，CML的優(yōu)勢(shì)十分明顯，引腳數(shù)大大較少。

表1：引腳數(shù)比較 - 80Msps ADC

CML驅(qū)動(dòng)器用于串行數(shù)據(jù)接口，因此，所需引腳數(shù)要少得多。圖3所示為用于具有JESD204接口或類似數(shù)據(jù)輸出的轉(zhuǎn)換器的典型CML驅(qū)動(dòng)器。該圖顯示了CML驅(qū)動(dòng)器典型架構(gòu)的一般情況。圖中顯示了可選源端接電阻和共模電壓。電路的輸入可將開關(guān)驅(qū)動(dòng)至電流源，電流源則將適當(dāng)?shù)倪壿嬛凋?qū)動(dòng)至兩個(gè)輸出端。

圖3：典型CML輸出驅(qū)動(dòng)器

CML驅(qū)動(dòng)器類似于LVDS驅(qū)動(dòng)器，以恒定電流模式工作。這也使得CML驅(qū)動(dòng)器在功耗方面具備一定優(yōu)勢(shì)。在恒定電流模式下工作需要較少的輸出引腳，總功耗會(huì)降低。

和LVDS一樣，CML也需要負(fù)載端接、單端阻抗為50?的受控阻抗傳輸線路，以及100?的差分阻抗。驅(qū)動(dòng)器本身也可能具有如圖3所示的端接，對(duì)因高帶寬信號(hào)靈敏度引起的信號(hào)反射有所幫助。

對(duì)符合JESD204標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換器而言，差分和共模電平均存在不同規(guī)格，具體取決于工作速度。工作速度高達(dá)6.375Gbps，差分電平標(biāo)稱值為800mV，共模電平約為1.0V。

在高于6.375Gbps且低于12.5Gbps的速度下工作時(shí)，差分電平額定值為400mV，共模電平仍約為1.0V。隨著轉(zhuǎn)換器速度和分辨率增加，CML輸出需要合適類型的驅(qū)動(dòng)器提供必要速度，以滿足各種應(yīng)用中轉(zhuǎn)換器的技術(shù)需求。

數(shù)字時(shí)序：注意事項(xiàng)

每種數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器都有時(shí)序關(guān)系，需要密切關(guān)注。由于CMOS和LVDS有多種數(shù)據(jù)輸出，需要有路由路徑來盡量減小偏斜。如果差別過大，可能就無法在接收器上實(shí)現(xiàn)合適的時(shí)序。

此外，時(shí)鐘信號(hào)也需要通過路由傳輸，并與數(shù)據(jù)輸出保持一致。時(shí)鐘輸出和數(shù)據(jù)輸出之間的路由路徑也必須格外注意，這也是為了確保偏斜不會(huì)太大。

在采用JESD204接口的CML中，數(shù)字輸出之間的路由路徑也必須加以注意。需要管理的數(shù)據(jù)輸出大大減少，因此，這一任務(wù)比較容易完成，但也不能完全忽略。這種情況下，時(shí)鐘內(nèi)置于數(shù)據(jù)中，因此無需擔(dān)心數(shù)據(jù)輸出和時(shí)鐘輸出之間的時(shí)序偏斜。但是，必須注意，接收器中要有足夠的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路。

除了偏斜之外，還必須關(guān)注CMOS和LVDS的建立和保持時(shí)間。數(shù)據(jù)輸出必須于時(shí)鐘發(fā)生邊沿躍遷之前在充足時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)至恰當(dāng)?shù)倪壿嫚顟B(tài)，還必須在時(shí)鐘發(fā)生邊沿躍遷之后以該邏輯狀態(tài)維持充足時(shí)間。這可能會(huì)受到數(shù)據(jù)輸出和時(shí)鐘輸出之間偏斜的影響，因此，保持良好的時(shí)序關(guān)系非常重要。

由于具有較低信號(hào)擺幅和差分信號(hào)，LVDS相比CMOS具有一定優(yōu)勢(shì)。和CMOS驅(qū)動(dòng)器一樣切換邏輯狀態(tài)時(shí)，LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器無需將這樣的大信號(hào)驅(qū)動(dòng)至各種不同輸出，也不會(huì)從電源吸取大量電流。因此，它在切換邏輯狀態(tài)時(shí)不太可能會(huì)出現(xiàn)問題。

如果有許多CMOS驅(qū)動(dòng)器同時(shí)切換，電源電壓會(huì)下拉并引起問題，將正確的邏輯值驅(qū)動(dòng)至接收器。LVDS驅(qū)動(dòng)器會(huì)保持在恒定電流水平，這一特別問題就不會(huì)發(fā)生。此外，由于采用了差分信號(hào)，LVDS驅(qū)動(dòng)器本身對(duì)共模噪聲的耐受能力也較強(qiáng)。

CML驅(qū)動(dòng)器具有和LVDS同樣的優(yōu)勢(shì)。這些驅(qū)動(dòng)器也有恒定水平的電流，但和LVDS不同的是，由于數(shù)據(jù)為串行，所需電流值小得多。此外，由于也采用了差分信號(hào)，CML驅(qū)動(dòng)器同樣對(duì)共模噪聲具有良好的耐受能力。

但是，LVDS和CML的缺點(diǎn)在于，由于電流為恒定值，因此，即使在采樣速率較低時(shí)，功耗仍然會(huì)很大。對(duì)于高速與高分辨率轉(zhuǎn)換器而言，LVDS或CML相比CMOS的優(yōu)勢(shì)在于，功耗和引腳數(shù)明顯減少。

隨著轉(zhuǎn)換器技術(shù)的發(fā)展，速度和分辨率不斷增加，數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器也不斷演變發(fā)展，以滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。隨著轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字輸出接口轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)傳輸，CML輸出越來越普及。

但是，目前的設(shè)計(jì)中仍然會(huì)用到CMOS和LVDS數(shù)字輸出。每種數(shù)字輸出都有最適合的應(yīng)用。每種輸出都面臨著挑戰(zhàn)，必須考慮到一些設(shè)計(jì)問題，且各有所長(zhǎng)。

在采樣速度小于200Msps的轉(zhuǎn)換器中，CMOS仍然是一種合適的技術(shù)。采樣速度增至200Msps以上時(shí)，和CMOS相比，LVDS在許多應(yīng)用中更加可行。為了進(jìn)一步增加效率、降低功耗、減小封裝尺寸，CML驅(qū)動(dòng)器可與JESD204之類的串行數(shù)據(jù)接口配合使用。