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你了解ADC吗?模数转换器(ADC)不同类型数字输出深解

2012年10月10日 10:34 次阅读

  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。

  

(电子工程专辑)

 

  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。

  

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发表于 2017-11-29 15:25 2104次阅读
基于STC15w408AS的电子时钟的设计

模数转换器的内部结构解析

模数转换器即A/D转换器,或简称ADC,通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转...

发表于 2017-11-29 14:36 485次阅读
模数转换器的内部结构解析

AD模数转换的方法流程及实际应用简介

在工业控制和智能化仪表中,通常由微型计算机进行实时控制及实时数据处理。计算机所加工的信息总是数字量,...

发表于 2017-11-27 08:52 2558次阅读
AD模数转换的方法流程及实际应用简介

射频电路集成度应对多模手机设计挑战

为满足下一代蜂窝电话设计对更多特性、多模式及工作频率的需求,工程师们必须寻找提高射频前端集成度的途径...

发表于 2017-11-25 15:03 143次阅读
射频电路集成度应对多模手机设计挑战

什么是并行比较型ADC

ADC,Analog-to-Digital Converter的缩写,指模/数转换器或者模数转换器。...

发表于 2017-11-25 09:58 283次阅读
什么是并行比较型ADC

基于FPGA的心电监护仪的片上系统的设计

Fution模数混合信号芯片的诞生给小型化、便携式片上系统的设计带来了可能,本文通过对FPGA各种资...

发表于 2017-11-23 15:24 157次阅读
基于FPGA的心电监护仪的片上系统的设计

无线射频读卡器的设计和应用

无线射频识别(RFID)技术是一种自动识别技术。每一个目标对象在射频读卡器中对应唯一的电子识别码(U...

发表于 2017-11-23 15:22 289次阅读
无线射频读卡器的设计和应用

基于FPGA的数据存储和数据采集系统

FPGA以其应用的灵活方便蓬勃发展,在通信、航空航天、医疗设备、消费类电子产品等领域一展身手。使用F...

发表于 2017-11-23 15:01 750次阅读
基于FPGA的数据存储和数据采集系统

基于FPGA的模数转换器的设计

数字系统已经越来越广泛地应用到现实世界的各个领域中,绝大多数数字系统无法直接处理现实世界中的信号,必...

发表于 2017-11-23 09:26 202次阅读
基于FPGA的模数转换器的设计

RF采样ADC的优势

数据转换器充当现实模拟世界与数字世界之间的桥梁已有数十年的历史。从占用多个机架空间并消耗大量电能(例...

发表于 2017-11-22 15:57 274次阅读
RF采样ADC的优势

基于声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统

针对目前水下三维声纳实时成像系统前端信号通道多、波束形成计算量大的问题,提出一种基于现场可编程门阵列...

发表于 2017-11-18 10:22 259次阅读
基于声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统

使用JESD204B同步多个ADC

许多通信、仪器仪表和信号采集系统需要通过多个模数转换器(ADC)对多个模拟输入信号进行同时采样。随后...

发表于 2017-11-18 03:03 170次阅读
使用JESD204B同步多个ADC

关于JESD204B转换器与FPGA匹配的设计关...

随着更多的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)支持最新的JESD204B串行接口标准,出现了F...

发表于 2017-11-18 01:48 117次阅读
关于JESD204B转换器与FPGA匹配的设计关...

扩大软件定义无线电sdr的动态范围的电路元件、计...

软件定义无线电(SDR)是指信号链的一部分是软件的任何无线电。具体来说,它会具有以下部分或全部特性:...

发表于 2017-11-17 20:47 129次阅读
扩大软件定义无线电sdr的动态范围的电路元件、计...

基于AD9625新型GSPS ADC的雷达系统数...

现代高级雷达系统受到多方面的挑战,人们提出了额外的一些运行要求,包括需要支持多功能处理和动态模式调整...

发表于 2017-11-17 20:10 108次阅读
基于AD9625新型GSPS ADC的雷达系统数...

ADC中的数字下变频的分析和其高性能优势

高速ADC 现已具备足够的处理能力将DDC 功能带入信号链。如果系统不需要使用宽频带奈奎斯特率ADC...

发表于 2017-11-17 15:50 188次阅读
ADC中的数字下变频的分析和其高性能优势

ADC同步化的优化方式

在使用每秒千兆次采样(GSPS)模拟数字转换器(ADC)时,促使相同系统中多重转换器同步化的需求与之...

发表于 2017-11-17 13:18 161次阅读
ADC同步化的优化方式

基于LVDS的超高速ADC数据接收设计

超高速ADC通常采用LVDS电平传输数据,高采样率使输出数据速率很高,达到百兆至吉赫兹量级,如何正确...

发表于 2017-11-17 10:40 259次阅读
基于LVDS的超高速ADC数据接收设计

基于FPGA的超声数据采集装置的设计与实现

为了实现对某航天器在地面及飞行过程中的超声数据进行高精度、高速采集的功能,根据测量系统的技术要求,设...

发表于 2017-11-17 09:52 172次阅读
基于FPGA的超声数据采集装置的设计与实现

如何解决满足SOC的最佳方法?

为了满足系统芯片(SoC)中通讯收发器中宽带信号处理的要求,选择模拟前端(AFE) IP及其组件(模...

发表于 2017-11-17 06:19 161次阅读
如何解决满足SOC的最佳方法?

ADC和DAC常用术语汇总

本文汇总和定义模/数转换器(ADC)和数/模转换器(DAC)领域常用的技术术语。 采集时间 采集时间...

发表于 2017-11-17 05:55 416次阅读
ADC和DAC常用术语汇总

模数转换器高测量精度以及误差分析

在任何设计中,理解这些类型应用的总系统精度始终都是非常重要的,尤其是那些需要对波形中极小的灵敏度和变...

发表于 2017-11-17 05:02 379次阅读
模数转换器高测量精度以及误差分析

ADC和DAC作为闭环控制系统核心的关键作用和性...

电子闭环控制系统通常包括三种元素:控制器、反馈信号输入(ADC)和输出执行器(DAC)。ADC检测并...

发表于 2017-11-17 02:12 258次阅读
ADC和DAC作为闭环控制系统核心的关键作用和性...