了解高速ADC的數(shù)字輸出選擇

要點(diǎn)

1.高端儀表促進(jìn)了更快的ADC速度和更多的通道數(shù)與密度，設(shè)計(jì)者必須評(píng)估轉(zhuǎn)換器的輸出格式，以及基本的轉(zhuǎn)換性能。

2.主要的輸出選項(xiàng)是CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)、LVDS(低壓差分信令)，以及CML(電流模式邏輯)。

3.要考慮的問題包括：功耗、瞬變、數(shù)據(jù)與時(shí)鐘的變形，以及對(duì)噪聲的抑制能力。

4.對(duì)于布局的考慮也是轉(zhuǎn)換輸出選擇中的一個(gè)方面，尤其當(dāng)采用LVDS技術(shù)時(shí)。

當(dāng)設(shè)計(jì)者有多種ADC選擇時(shí)，他們必須考慮采用哪種類型的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出：CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)、LVDS(低壓差分信令)，還是CML(電流模式邏輯)。ADC中所采用的每種數(shù)字輸出類型都各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)者應(yīng)結(jié)合自己的應(yīng)用來考慮。這些因素取決于ADC的采樣速率與分辨率、輸出數(shù)據(jù)速率，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功率要求，等等。

CMOS驅(qū)動(dòng)器

在采樣速率低于200M采樣/秒的ADC中，常見的是CMOS數(shù)字輸出。典型的CMOS驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS管(它們的漏極相互連接)、電源電壓VDD和地(圖1a)。這個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)使輸出反相。另外，也可以采用一種背對(duì)背的結(jié)構(gòu)，避免輸出反相(圖1b)。

圖1，一個(gè)典型CMOS數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器可以是反相結(jié)構(gòu)(a)，或非反相結(jié)構(gòu)(b)。

CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器有高的輸入阻抗和低的輸出阻抗。在驅(qū)動(dòng)器的輸入端，兩個(gè)CMOS晶體管的柵極阻抗非常高，因?yàn)闁艠O氧化物將柵極與任何導(dǎo)電材料隔離開來。輸入端阻抗的范圍可從千歐姆級(jí)到兆歐姆級(jí)。

在驅(qū)動(dòng)器的輸出端，漏極電流ID通常較小，它決定了阻抗。此時(shí)，阻抗通常小于數(shù)百歐姆。CMOS的電壓擺幅大約是從電源電壓到地，因此根據(jù)電源電壓情況可能會(huì)很大。由于輸入阻抗高，輸出阻抗相對(duì)較低，因此一個(gè)CMOS輸出通?？梢则?qū)動(dòng)多個(gè)CMOS輸入。

CMOS輸出端還有低靜態(tài)電流。只有當(dāng)CMOS驅(qū)動(dòng)器發(fā)生一次開關(guān)事件時(shí)，才出現(xiàn)大量的電流。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器在低態(tài)(即拉至地)或高態(tài)(即拉至電源電壓)時(shí)，幾乎沒有流過驅(qū)動(dòng)器的電流。不過，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器從低態(tài)切換到高態(tài)，或從高態(tài)切換到低態(tài)時(shí)，電源電壓到地之間就出現(xiàn)了一個(gè)短暫的低阻通路。這個(gè)瞬態(tài)電流就是設(shè)計(jì)者通常對(duì)高于200M采樣/秒速率ADC采用其它輸出驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主要原因之一。

另一個(gè)原因是，轉(zhuǎn)換器的每一位都需要一個(gè)CMOS驅(qū)動(dòng)器。一只14位ADC需要14個(gè)CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器。這一約束條件要求在一只封裝中使用一個(gè)以上的轉(zhuǎn)換器;通常在一個(gè)封裝中會(huì)用到多達(dá)8個(gè)轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生了多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的問題。例如，采用CMOS技術(shù)可能需要用多達(dá)112個(gè)輸出端子做數(shù)據(jù)輸出。這種結(jié)構(gòu)不僅從封裝角度是不可能的，而且也會(huì)消耗更多的功率，增加PCB布局的復(fù)雜性。為解決這些問題，制造商開始采用LVDS的接口。

LVDS驅(qū)動(dòng)器

LVDS較CMOS技術(shù)有一些優(yōu)勢，包括它僅需約350mV的信號(hào)就能運(yùn)行，并且是差分信號(hào)而不是單端信號(hào)。較小電壓擺幅有更快的切換速度，減少了對(duì)EMI問題的關(guān)切。由于LVDS技術(shù)是差分的，它也有共模抑制作用，意味著耦合到信號(hào)上的噪聲在兩個(gè)信號(hào)路徑上是相同的，而差分接收器能夠去除大部分噪聲。

LVDS的阻抗要受到更嚴(yán)格的控制，負(fù)載電阻必須接近100Ω。設(shè)計(jì)者獲得這個(gè)電阻的方法通常是在LVDS接收器上使用并聯(lián)終結(jié)的電阻。另外，還必須用受控阻抗的傳輸線來傳送LVDS信號(hào)。單端設(shè)計(jì)需要50Ω的阻抗，而差分設(shè)計(jì)則要將阻抗保持在100Ω(圖2)。

圖2，LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器提供受控的輸入與輸出阻抗。

正如LVDS輸出驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)所示，電路的工作結(jié)果是輸出提供一個(gè)固定的直流負(fù)載電流，從而避免了在輸出邏輯狀態(tài)變化時(shí)，一個(gè)典型CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器上會(huì)出現(xiàn)的電流尖峰。電路的標(biāo)稱供出/拉入電流為3.5mA，在100Ω終端電阻上獲得350mV的典型輸出電壓擺幅。電路的共模電平一般為1.2V，兼容于3.3V、2.5V和1.8V的電源電壓。

LVDS最常見的標(biāo)準(zhǔn)是ANSI/TIA/EIA-644規(guī)范，即“低壓差分信令接口電路的電氣特性”;另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是IEEE的SCI(可擴(kuò)展一致性接口)LVDS標(biāo)準(zhǔn)。LVDS要求特別注意信號(hào)走線的物理布局，但對(duì)于大于200M采樣/秒的轉(zhuǎn)換器則提供了很多優(yōu)點(diǎn)。LVDS驅(qū)動(dòng)器是恒流驅(qū)動(dòng)，因此能夠驅(qū)動(dòng)很多輸出，不需要CMOS那么大量的電流。另外還可以使LVDS工作在DDR模式，它可以用一個(gè)LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器給出2個(gè)數(shù)據(jù)位，從而需要的引腳數(shù)只有CMOS的一半。

LVDS還降低了相同數(shù)量數(shù)據(jù)輸出的功耗。不過，隨著轉(zhuǎn)換器分辨率的增加，PCB布局有一個(gè)更困難的工作，即處理一個(gè)LVDS接口所需要的很多數(shù)據(jù)輸出。ADC的采樣速率最終會(huì)將接口需要的數(shù)據(jù)速率推高至超出LVDS的能力。

CML驅(qū)動(dòng)器

轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸出接口的最新趨勢是采用一種CML輸出驅(qū)動(dòng)器的串行數(shù)據(jù)接口。通常情況下，使用這些驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換器有14位或更高的分辨率，速度為200M采樣/秒或更高，只需要小型封裝和低功耗。采用JESD204接口當(dāng)前修訂版(是一種CML輸出驅(qū)動(dòng)器)的最新轉(zhuǎn)換器能夠工作在高達(dá)12Gbps，大大減少了所需要的輸出引腳數(shù)。[!--empirenews.page--]

你不再需要單獨(dú)布放時(shí)鐘信號(hào)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)定義的8b/10b編碼數(shù)據(jù)流中嵌入了時(shí)鐘。該標(biāo)準(zhǔn)亦將所需數(shù)據(jù)輸出引腳數(shù)減少到最少兩只。隨著分辨率、速度和轉(zhuǎn)換器通道數(shù)的增加，數(shù)據(jù)輸出引腳數(shù)也可以改變，以適應(yīng)更大的吞吐量。不過，由于CML驅(qū)動(dòng)器接口通常是串行的，接口需要的引腳數(shù)少于CMOS或LVDS。CMOS或LVDS中的數(shù)據(jù)傳輸是并行方式，需要更多引腳。

表1給出了對(duì)于各種通道數(shù)和位分辨率，80M采樣/秒轉(zhuǎn)換器使用的接口引腳數(shù)。數(shù)據(jù)的假設(shè)條件是CMOS和LVDS輸出下每個(gè)通道數(shù)據(jù)有一個(gè)同步時(shí)鐘，使用CML輸出時(shí)JESD204數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾蕿?.2Gbps。表中顯示出了發(fā)展到CML的原因，以及大大減少的引腳數(shù)。

由于串行數(shù)據(jù)接口采用CML驅(qū)動(dòng)器，它們需要的引腳數(shù)也很少。圖3給出了一個(gè)有JESD204或類似數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換器的典型CML驅(qū)動(dòng)器。圖中顯示了可選的源端終結(jié)電阻和共模電壓。電路的輸入端驅(qū)動(dòng)著電流源的開關(guān)，將兩個(gè)輸出端驅(qū)動(dòng)到適當(dāng)?shù)倪壿嬛怠?/p>

圖3，CML輸出驅(qū)動(dòng)器作為電路輸入，驅(qū)動(dòng)著電流源的開關(guān)，從而將兩個(gè)輸出端子驅(qū)動(dòng)到適當(dāng)?shù)倪壿嬛怠?/p>

CML驅(qū)動(dòng)器近似于一個(gè)工作在恒流模式的LVDS驅(qū)動(dòng)器，而CML驅(qū)動(dòng)器還有功耗的優(yōu)勢。在恒流模式下工作需要較少的輸出端，減少了總功耗。采用LVDS時(shí)，這種設(shè)計(jì)需要一個(gè)負(fù)載終結(jié)，以及控制阻抗的傳輸線，其單端阻抗為50Ω，差分阻抗為100Ω。驅(qū)動(dòng)器本身也有終結(jié)，這樣有助于減少這種高帶寬信號(hào)敏感性所帶來的任何信號(hào)反射。

根據(jù)工作速度，符合JESD204標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換器有不同的差分電壓和共模電壓電平規(guī)范。當(dāng)工作在高達(dá)6.375Gbps速度時(shí)，采用差分技術(shù)的ADC標(biāo)稱電壓為800mV，而共模技術(shù)ADC電壓約為1V。當(dāng)這些系統(tǒng)工作在6.375Gbps~12.5Gbps時(shí)，差分電壓水平為400mV，而共模電壓水平仍然接近于1V。隨著轉(zhuǎn)換器速度與分辨率的提高，CML輸出正在日益成為期望的驅(qū)動(dòng)器類型，它提供的速度能跟上轉(zhuǎn)換器所需要的技術(shù)。

數(shù)字時(shí)序

每種類型的數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器都有需要密切關(guān)注的時(shí)序關(guān)系。由于CMOS和LVDS有多個(gè)數(shù)據(jù)輸出，因此信號(hào)的布放路徑要特別注意，以盡量減少失真。如果差異太大，則設(shè)計(jì)的接收器端就無法獲得正確的時(shí)序。另外，還必須與數(shù)據(jù)輸出一起布放和調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)。這個(gè)工作也需要特別仔細(xì)，在時(shí)鐘輸出與數(shù)據(jù)輸出之間布放路徑，以確保失真不大。

CML中各數(shù)字輸出之間的路徑布放也需要注意。要管理的數(shù)據(jù)輸出少了很多，因此工作也變得較容易，但設(shè)計(jì)者不能掉以輕心。此時(shí)，你不需要考慮數(shù)據(jù)輸出與時(shí)鐘輸出之間的時(shí)序失真問題，因?yàn)闀r(shí)鐘嵌入在了數(shù)據(jù)中。但是，需要特別注意接收器中的CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))電路。

除了失真以外，設(shè)計(jì)者還必須仔細(xì)地察看CMOS和LVDS中的建立與保持時(shí)間， 包括在時(shí)鐘變換沿以前，將數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動(dòng)到適當(dāng)?shù)倪壿嫅B(tài)，以及在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換結(jié)束沿后，使邏輯態(tài)維持足夠的長度。數(shù)據(jù)輸出與時(shí)鐘輸出之間的失真會(huì)影響這個(gè)狀況，因此關(guān)鍵是要維持良好的時(shí)序關(guān)系。

LVDS的信號(hào)擺幅小于CMOS，并且它也支持差分信令。LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器為很多輸出端提供較小的信號(hào)，當(dāng)做邏輯轉(zhuǎn)換時(shí)，從電源拉出的電流也低于CMOS，這樣在邏輯狀態(tài)改變時(shí)不容易產(chǎn)生問題。而大批同時(shí)轉(zhuǎn)換的CMOS驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)拉低電源電壓，當(dāng)為接收器驅(qū)動(dòng)正確邏輯值時(shí)會(huì)產(chǎn)生問題。LVDS驅(qū)動(dòng)器會(huì)保持一個(gè)恒定的電流水平，因此避免了這類問題。LVDS驅(qū)動(dòng)器還能抵御共模噪聲，因?yàn)樗捎玫氖遣罘中帕睢?/p>

CML驅(qū)動(dòng)器具有與LVDS類似的優(yōu)點(diǎn)。這些驅(qū)動(dòng)器也有恒流水平，但與LVDS不同，它需要更少電流，因?yàn)閿?shù)據(jù)串行化了。CML驅(qū)動(dòng)器也提供對(duì)共模噪聲的抑制能力，因?yàn)樗鼈円膊捎貌罘中帕?。不過，LVDS和CML的缺點(diǎn)也正在于它們是恒流，所以，即使在較低的采樣速率下，功耗仍會(huì)較大。對(duì)于較高速度和分辨率的轉(zhuǎn)換器來說，LVDS或CML較CMOS的優(yōu)點(diǎn)就在于顯著減少了功耗和引腳數(shù)。

轉(zhuǎn)換器技術(shù)隨著速度和分辨率的提高而不斷進(jìn)步，采用了數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器，并逐步滿足了傳輸數(shù)據(jù)的需求。CML輸出作為串行數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字輸出接口正在日益普及。不過，今天的設(shè)計(jì)仍然在使用CMOS和LVDS數(shù)字輸出。你要使用的數(shù)字輸出類型取決于自己的應(yīng)用情況。

對(duì)于采樣速率小于200M采樣/秒的轉(zhuǎn)換器，CMOS仍然是一種適用的技術(shù)。當(dāng)采樣速度提高到200M采樣/秒以上時(shí)，LVDS成為很多應(yīng)用中的更實(shí)用選擇。采用串行數(shù)據(jù)接口(如JESD204)的CML驅(qū)動(dòng)器可以進(jìn)一步提高效率，減小功耗和封裝尺寸。