如何为逐次逼近型ADC设计可靠的数字接口？

SETUP_MARGIN= 33 ns –1 ns – 5 ns – 7 ns – 11 ns – 7 ns = 2 ns

　　tHOLD_MARGIN= 11 ns + 7 ns + 7 ns – 1 ns – 2 ns = 22 ns

　　建立时间和保持时间裕量均为正，因此，SPI SCLK可以在30 MHz下工作。

　　图4. DSP和AD7980之间的数字接口

　　数字信号质量

　　数字信号完整性（包括时序和信号质量）确保：在额定电压下接收信号；不相互干扰；不损坏其他器件；不污染电磁频谱。信号质量由多个项定义，如图5所示。本部分将介绍过冲、振铃、反射和串扰。

　　图5. 常用信号质量规格

　　反射是阻抗不匹配导致的结果。当信号沿着走线传播时，每个接口处的瞬时阻抗都不相同。部分信号会反射回去，部分信号会继续沿着线路传播。反射可能在接收器端产生过冲、欠冲、振铃和非单调性时钟边沿。

　　过冲和欠冲可能损坏输入保护电路，或者缩短IC的使用寿命。图6所示为AD7606的绝对最大额定值。数字输入电压应在–0.3 V和VDRIVE + 0.3 V之间。另外，如果振铃高于最大VIL或小于最小VIH可能导致逻辑误差。

　　绝对最大额定值

　　除非另有说明，TA = 25℃

　　图6. AD7606的绝对最大额定值

　　为了减少反射：

　　●尽量缩短走线的长度

　　●控制走线的特性阻抗

　　●消除分支

　　●使用适当的端接方案

　　●用环路面积小的固体金属作为返回电流参考平面

　　●使用较低的驱动电流和压摆率

　　针对走线特性阻抗的计算，目前有许多软件工具或网站，比如Polar Instruments Si9000 PCB传输线路场求解器。借助这些工具，特性阻抗计算起来非常简单，只需选择传输线路型号并设置相应的参数即可，比如电介质类型和厚度以及走线宽度、厚度和隔离。

　　作为一种新兴标准，IBIS用于描述IC数字I/O的模拟行为。ADI提供针对SAR ADC的IBIS模型。预布局仿真可检测时钟分布、芯片封装类型、电路板堆叠、网络拓扑结构和端接策略。也可检测串行接口时序限制以便为定位和布局提供指导。后仿真可验证设计是否符合所有指导方针和限制的要求，同时检测是否存在反射、振铃、串扰等违反要求的情况。

　　在图7中，一个驱动器通过一条12英寸的微带线路连接SCLK1，另一个驱动器通过一个与微带串联的43Ω电阻连接SCLK2。

　　图7. 驱动AD7606 SCLK

　　在图8中，SCLK1上的大过冲违反了–0.3 V至+3.6 V的绝对最大额定值。串联电阻可减小SCLK2上的压摆率，使信号处于额定值之内。

　　图8. AD7606 IBIS过冲模型仿真

　　串扰是能量通过互电容（电场）或互感（磁场）在并行传输线路间耦合的情况。串扰量取决于信号的上升时间、并行线路的长度以及它们之间的间距。

　　控制串扰的一些常用方法为：

　　●增加线路间距

　　●减小并行布线

　　●使走线靠近参考金属平面

　　●使用适当的端接方案

　　●减小信号压摆率

数字活动导致的性能下降#e#

　　数字活动导致的性能下降

　　数字活动可能导致SAR ADC性能下降，使SNR因数字地或电源噪声、采样时钟抖动和数字信号干扰而减小。

　　孔径或采样时钟抖动设定SNR限值，尤其是对高频输入信号。系统抖动有两个来源： 来自片内采样保持电路的孔径抖动（内部抖动），以及采样时钟上的抖动（外部抖动）。孔径抖动为转换间的采样时间变化，为ADC的函数。采样时钟抖动通常为主要误差源，但两个源都会导致模拟输入采样时间变化，如图9所示。它们的影响难以区分。

　　总抖动会产生误差电压，ADC总SNR的限制因素为

　　总抖动 = tJ （rms）

　　总抖动 = √（ADC孔径抖动）2+（采样时钟抖动）2

　　其中，f为模拟输入频率，tJ为总时钟抖动。

　　图9. 采样时钟抖动导致的误差电压

　　数字输出开关导致的电源噪声应与敏感的模拟电源相隔离。分别去耦模拟和数字电源，密切注意地回流路径。

　　高精度SAR ADC可能对数字接口上的活动很敏感，即使电源适当去耦和隔离时。突发时钟往往优于连续时钟。数据手册通常会列出接口不应活动的安静时间。在较高吞吐速率条件下，可能难以减少这些时间内的数字活动，通常为采样时刻及出现关键位判断点时。

　　结论

　　密切注意数字活动，确保SAR ADC转换有效。数字活动导致的误差可能使SAR ADC进入未知状态，导致故障，或者降低性能。希望本文能帮助设计师排查根本原因，同时还能提供解决方案。

　　参考文献

　　Kester， Walt. "数据转换器支持电路"《数据转换手册》，第7章，ADI公司，2004年

　　Brad Brannon， AN-756应用笔记。 采样系统以及时钟相位噪声和抖动的影响，ADI公司，2004年

Ritchey， Lee W. 《一举成功