高速A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出生存法則在于合理選擇和應用不同類型的輸出

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)作為模擬信號與數(shù)字信號之間的橋梁，其性能直接關系到整個系統(tǒng)的準確性和效率。隨著技術的飛速發(fā)展，高速A/D轉(zhuǎn)換器的應用越來越廣泛，從通信、工業(yè)控制到醫(yī)療設備，無不體現(xiàn)著其重要性。然而，在選擇高速A/D轉(zhuǎn)換器時，數(shù)字數(shù)據(jù)輸出類型成為了設計人員必須仔細考慮的關鍵因素。本文將深入探討高速A/D轉(zhuǎn)換器三種最常用的數(shù)字輸出類型——互補金屬氧化物半導體(CMOS)、低壓差分信號(LVDS)和電流模式邏輯(CML)，并總結(jié)其生存法則。

一、CMOS輸出：基礎與局限

在采樣速率小于200 Msps(百萬次采樣每秒)的ADC中，CMOS輸出是非常常見的選擇。CMOS輸出驅(qū)動器通常由兩個晶體管(一個NMOS和一個PMOS)組成，這種結(jié)構(gòu)連接在電源(VDD)和地之間。這種簡單的結(jié)構(gòu)使得CMOS在低速應用中表現(xiàn)優(yōu)異，具有低靜態(tài)電流和高輸入阻抗的優(yōu)點。

然而，隨著ADC采樣速率的提升，CMOS輸出的局限性逐漸顯現(xiàn)。首先，CMOS驅(qū)動器在切換狀態(tài)時會產(chǎn)生瞬態(tài)電流，這在高速應用中會導致功耗增加和電磁干擾(EMI)問題。其次，每個ADC位都需要一個獨立的CMOS驅(qū)動器，對于高分辨率的ADC來說，這將顯著增加輸出引腳數(shù)和功耗。最后，由于CMOS輸出的電平擺幅較大，隨著VDD的升高，功耗和噪聲問題也會進一步加劇。

二、LVDS輸出：速度與效率的平衡

為了克服CMOS輸出在高速應用中的不足，LVDS(低壓差分信號)輸出應運而生。LVDS能夠在低電壓信號(約350mV)下工作，并且采用差分信號傳輸，這使得它在高速應用中具有顯著優(yōu)勢。

首先，LVDS的低壓擺幅使得信號切換時間更快，從而減少了EMI問題。其次，差分信號傳輸帶來了共模抑制的好處，能夠有效消除耦合到信號路徑上的噪聲。此外，LVDS能夠以雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)模式工作，即兩個數(shù)據(jù)位可以通過同一個LVDS輸出驅(qū)動器傳輸，從而減少了引腳數(shù)和功耗。

然而，LVDS輸出也并非完美無缺。隨著ADC分辨率和采樣速率的增加，LVDS接口所需的數(shù)據(jù)輸出量會急劇增加，這對PCB布局提出了更高要求。此外，LVDS信號的阻抗控制必須非常嚴格，以確保信號的完整性和穩(wěn)定性。

三、CML輸出：未來趨勢與高性能

為了滿足高分辨率、高速和低功耗的需求，電流模式邏輯(CML)輸出逐漸成為高速A/D轉(zhuǎn)換器的新寵。CML輸出驅(qū)動器通常用于JESD204接口，這種接口目前廣泛應用于最新一代的ADC中。

CML輸出的最大優(yōu)勢在于其高數(shù)據(jù)速率和低引腳數(shù)。采用JESD204接口的CML驅(qū)動器可以使ADC輸出端的數(shù)據(jù)速率達到12Gbps(當前版本JESD204B規(guī)格)，并且由于時鐘內(nèi)置于8b/10b編碼數(shù)據(jù)流中，無需傳輸獨立的時鐘信號，從而大幅減少了輸出引腳數(shù)。這對于需要小型封裝和低功耗的應用來說尤為重要。

此外，CML驅(qū)動器以恒定電流模式工作，這使得它在功耗方面具備顯著優(yōu)勢。在恒定電流模式下，CML驅(qū)動器需要的輸出引腳數(shù)較少，總功耗也會相應降低。同時，CML驅(qū)動器也需要負載端接和受控阻抗傳輸線路，以確保信號的完整性和穩(wěn)定性。

四、生存法則：合理選擇與應用

在選擇高速A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出類型時，設計人員需要綜合考慮多個因素，包括ADC的采樣速率和分辨率、輸出數(shù)據(jù)速率、系統(tǒng)設計的電源要求以及PCB布局的復雜性等。以下是一些關鍵的生存法則：

根據(jù)采樣速率選擇輸出類型：對于采樣速率小于200 Msps的ADC，CMOS輸出是一個經(jīng)濟實用的選擇。而對于采樣速率超過200 Msps的應用，LVDS和CML輸出則更具優(yōu)勢。

關注功耗和噪聲：在高速應用中，功耗和噪聲是兩個重要的考慮因素。CML輸出以其低功耗和低噪聲特性在高性能應用中脫穎而出。

考慮PCB布局和封裝限制：隨著ADC分辨率和采樣速率的增加，輸出引腳數(shù)和信號完整性成為PCB布局的關鍵問題。LVDS和CML輸出在減少引腳數(shù)和簡化布局方面表現(xiàn)出色。

關注標準和兼容性：在選擇輸出類型時，還需要考慮與現(xiàn)有系統(tǒng)和接口的兼容性。LVDS和CML輸出都有相應的標準規(guī)范支持，確保了廣泛的兼容性和可靠性。

關注時序和同步問題：在高速應用中，時序和同步問題尤為重要。CML輸出由于內(nèi)置時鐘信號和數(shù)據(jù)恢復電路，能夠有效減少時序偏斜和同步問題。

綜上所述，高速A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出生存法則在于合理選擇和應用不同類型的輸出。通過綜合考慮采樣速率、功耗、噪聲、PCB布局和兼容性等多個方面，設計人員可以為特定的應用場景選擇最適合的輸出類型。以下是對上述生存法則的進一步細化和拓展。