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了解高速ADC的數字輸出選擇

作者: 時間:2013-06-14 來源:網絡 收藏

要點

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/175072.htm

1.高端儀表促進了更快的ADC速度和更多的通道數與密度,設計者必須評估的輸出格式,以及基本的轉換性能。

2.主要的輸出選項是CMOS(互補金屬氧化物半導體)、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、數據與時鐘的變形,以及對噪聲的抑制能力。

4.對于布局的考慮也是轉換輸出選擇中的一個方面,尤其當采用LVDS技術時。

當設計者有多種ADC選擇時,他們必須考慮采用哪種類型的數字數據輸出:CMOS(互補金屬氧化物半導體)、LVDS(低壓差分信令),還是CML(電流模式邏輯)。ADC中所采用的每種數字輸出類型都各有優(yōu)缺點,設計者應結合自己的應用來考慮。這些因素取決于ADC的采樣速率與分辨率、輸出數據速率,以及系統(tǒng)設計的要求,等等。

CMOS

在采樣速率低于200M采樣/秒的ADC中,常見的是CMOS數字輸出。典型的CMOS包括一個NMOS管和一個PMOS管(它們的漏極相互連接)、電源電壓VDD和地(圖1a)。這個結構會使輸出反相。另外,也可以采用一種背對背的結構,避免輸出反相(圖1b)。

1.jpg

圖1,一個典型CMOS數字輸出可以是反相結構(a),或非反相結構(b)。

CMOS輸出驅動器有高的輸入阻抗和低的輸出阻抗。在驅動器的輸入端,兩個CMOS晶體管的柵極阻抗非常高,因為柵極氧化物將柵極與任何導電材料隔離開來。輸入端阻抗的范圍可從千歐姆級到兆歐姆級。

在驅動器的輸出端,漏極電流ID通常較小,它決定了阻抗。此時,阻抗通常小于數百歐姆。CMOS的電壓擺幅大約是從電源電壓到地,因此根據電源電壓情況可能會很大。由于輸入阻抗高,輸出阻抗相對較低,因此一個CMOS輸出通??梢则寗佣鄠€CMOS輸入。

CMOS輸出端還有低靜態(tài)電流。只有當CMOS驅動器發(fā)生一次開關事件時,才出現大量的電流。當驅動器在低態(tài)(即拉至地)或高態(tài)(即拉至電源電壓)時,幾乎沒有流過驅動器的電流。不過,當驅動器從低態(tài)切換到高態(tài),或從高態(tài)切換到低態(tài)時,電源電壓到地之間就出現了一個短暫的低阻通路。這個瞬態(tài)電流就是設計者通常對高于200M采樣/秒速率ADC采用其它輸出驅動技術的主要原因之一。

另一個原因是,的每一位都需要一個CMOS驅動器。一只14位ADC需要14個CMOS輸出驅動器。這一約束條件要求在一只封裝中使用一個以上的;通常在一個封裝中會用到多達8個轉換器,產生了多個驅動器的問題。例如,采用CMOS技術可能需要用多達112個輸出端子做數據輸出。這種結構不僅從封裝角度是不可能的,而且也會消耗更多的,增加PCB布局的復雜性。為解決這些問題,制造商開始采用LVDS的接口。

LVDS驅動器

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

LVDS的阻抗要受到更嚴格的控制,負載電阻必須接近100Ω。設計者獲得這個電阻的方法通常是在LVDS接收器上使用并聯終結的電阻。另外,還必須用受控阻抗的傳輸線來傳送LVDS信號。單端設計需要50Ω的阻抗,而差分設計則要將阻抗保持在100Ω(圖2)。

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圖2,LVDS輸出驅動器提供受控的輸入與輸出阻抗。

正如LVDS輸出驅動結構所示,電路的工作結果是輸出提供一個固定的直流負載電流,從而避免了在輸出邏輯狀態(tài)變化時,一個典型CMOS輸出驅動器上會出現的電流尖峰。電路的標稱供出/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最常見的標準是ANSI/TIA/EIA-644規(guī)范,即“低壓差分信令接口電路的電氣特性”;另一個標準是IEEE的SCI(可擴展一致性接口)LVDS標準。LVDS要求特別注意信號走線的物理布局,但對于大于200M采樣/秒的轉換器則提供了很多優(yōu)點。LVDS驅動器是恒流驅動,因此能夠驅動很多輸出,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LVDS輸出驅動器給出2個數據位,從而需要的引腳數只有CMOS的一半。

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


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關鍵詞: 驅動器 轉換器 功率

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