模数转换器(ADC)不同类型数字输出深解

在当今的模数转换器（ADC）领域，ADC制造商主要采用三类数字输出。这三种输出分别是：互补金属氧化物半导体（CMOS）、低压差分信号（LVDS）和电流模式逻辑（CML）。每类输出均基于采样速率、分辨率、输出数据速率和功耗要求，根据其工作方式和在ADC设计中的典型应用方式进行了论述。本文将讨论如何实现这些接口，以及各类输出的实际应用，并探讨选择和使用不同输出时需要注意的事项。此外还会给出关于如何处理这些输出的一般指南，并讨论各类输出的优劣。

基本知识

使用数字接口时，无论何种数字输出，都有一些相同的规则和事项需要考虑。首先，为实现最佳端接，接收器（FPGA或ASIC）端最好使用真正的电阻终端。接收器端的反射可能会破坏系统的时序预算。使用CMOS和LVDS输出时，如果系统中有多个ADC，不要使用来自某个ADC的DCO（数据时钟输出），否则可能导致时序错误以及接收器不适当地捕捉数据。在两个ADC之间需要保持精确时序的I/Q系统中，这点尤其要注意。即使两个ADC位于同一封装中，也需要针对各ADC使用适当的DCO输出，从而保持精确的时序关系。另一个需要注意的重要参数是数据格式。必须确保ADC和接收器采用同一数据格式（二进制补码或偏移二进制）。此外，数据转换速度也很重要。随着数据速率提高，接收器能够正确捕捉数据的距离减小，原因是互连和电缆带宽限制，以及由此引起的符码间干扰等问题。这些只是为什么必须将互连视作传输线路的其中几个原因。以这种方式处理互连并了解传输线路的特性很重要。当数据速率提高时，以这种方式了解互连变得更加重要。必须确保导线尺寸正确，并且信号层与返回层之间的间距适当。此外还必须选择具有稳定介电特性的电路板材料，使得走线特性在整个互连长度上的波动尽可能小。理想情况下，传输线路可以传播到无穷远处，但在实际应用中，这显然是不可能的。集肤效应、电介质损耗和辐射损耗等因素全都会影响传输线路参数，降低信号质量。因此，必须以正确的物理参数适当设计传输线路，并且确保发送器与接收器的阻抗匹配。这样做能够节省电能，并将最高质量的信号传输给接收器。

关于CMOS，我们所需要了解的

使用CMOS输出时，有多个方面需要考虑。首先考虑逻辑电平的典型开关速度（约1V/ns）、输出负载（每个门约10pF）和充电电流（每路输出约10mA）。应当采用尽可能小的容性负载，使充电电流最小。这可以利用尽可能短的走线仅驱动一个门来实现，最好没有任何过孔。此外还可以利用阻尼电阻来尽量降低充电电流。之所以必须将这些电流降至最小，是因为它们会迅速叠加。例如，一个四通道14位ADC的瞬态电流可能高达14 x 4 x 10 mA = 560 mA！串联阻尼电阻有助于抑制如此大的瞬态电流，降低输出瞬态效应产生的噪声，从而防止输出在ADC中造成额外的噪声和失真。

图1. 带阻尼电阻的CMOS输出驱动器

阻尼电阻和容性负载的时间常数应小于输出数据速率周期的大约10%.例如，如果使用采样速率为80 MSPS的ADC，各CMOS输出端的容性负载为10 pF，则时间常数应为12.5 ns的大约10%，即1.25 ns.因此，阻尼电阻R可以设置为100Ω，这个阻值很容易获得，并且满足时间常数条件。选择更大的R值可能会降低输出数据建立时间性能，并干扰接收器端正常的数据捕捉。ADC CMOS输出端的容性负载只能是单门负载，无论如何都不应直接连接到高噪声数据总线。要连接到数据总线，应使用一个中间缓冲寄存器，从而将ADC CMOS输出端的负载降至最低。随着CMOS输出的数据速率提高，瞬态电流也会增大，导致更高的功耗。CML的优点是：因为数据的串行化，所以对于给定的分辨率，它需要的输出对数少于LVDS和CMOS驱动器。JESD204B接口规范所说明的CML驱动器还有一个额外的优势，因为当采样速率提高并提升输出线路速率时，该规范要求降低峰峰值电压水平。

LVDS和CML

与CMOS相比，LVDS有几项优势很吸引人，包括：转换器采样速率更高而功耗更低、支持更高的数据速率、抗扰度更高以及驱动距离更长等。使用CMOS等单端信号时，印刷电路板上的噪声明显较多，这是因为CMOS输出切换感应的大量瞬态电流引起接地反弹。这种噪声更有可能耦合到ADC时钟和模拟输入中，导致SNR和SFDR性能下降。LVDS和CML采用差分信号，虽然并未完全消除CMOS中的接地反弹，但至少大大降低了这种效应。由于采用差分信号，系统本身就能抑制共模噪声，防止SNR和SFDR性能受损。LVDS和CML信号是平衡的，因此串扰被降至最小。由于信号的低压和差分性质，电磁干扰（EMI）同样降低。

提高可用带宽、改善动态范围、降低系统噪声的需求，导致转换器设计的采样速率和分辨率不断提高，因而必须使用速度更快、效率更高的数据接口。为此推出的JESD204标准利用CML技术实现其物理接口。该标准最初要求高达3.125Gbps的输出速率，这一数据速率超过了CMOS和LVDS的能力。最新版本JESD204B规定了输出数据速率高达12.5Gbps的几类转换器，CMOS和LVDS接口完全遥不可及。然而，使用差分信号虽然有这么多优势，但仍有几点必须注意。