SoC內(nèi)ADC子系統(tǒng)集成驗(yàn)證挑戰(zhàn)

現(xiàn)實(shí)世界的本質(zhì)就是模擬。我們需要從周圍世界采集的任何信息始終是一個(gè)模擬值。但要在微處理器內(nèi)處理模擬數(shù)據(jù)需要先將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。因此，SoC中使用多種不同的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。根據(jù)幾個(gè)參數(shù)(即吞吐量、噪聲抗擾度及設(shè)計(jì)復(fù)雜性)選擇相應(yīng)類型的ADC。

SoC設(shè)計(jì)人員不需要了解集成到SoC中的任何IP的復(fù)雜深層設(shè)計(jì)。因此，如果將ADC視為一個(gè)黑盒，即使從SoC設(shè)計(jì)人員的角度來看，在SoC層面仍有許多因素會(huì)決定ADC的性能質(zhì)量。我們必須格外注意這些因素。

將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)需要在時(shí)間以及幅度上進(jìn)行離散化。時(shí)間離散在采樣相位上進(jìn)行，而幅度離散在量化相位進(jìn)行。采樣通過采樣保持電路完成。采樣保持電路有一個(gè)開關(guān)、一個(gè)阻抗路徑以及一個(gè)電容，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)在該電容上對(duì)電壓進(jìn)行采樣。量化簡言之是指在一定范圍內(nèi)(由ADC的參考電壓控制)將采樣值縮放為數(shù)字值。采樣和量化相位如圖1所示。

圖1：通用模數(shù)轉(zhuǎn)換流程

即使在簡單的ADC黑盒示意圖中，我們也需要了解其在SoC中的集成知識(shí)：

● ADC有多個(gè)輸入信道，只有一個(gè)數(shù)字輸出。

● 信道之間存在復(fù)用，這樣，在任何時(shí)候ADC都能轉(zhuǎn)換來自于一個(gè)信道的數(shù)據(jù)。

● 采樣通過一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行。

● 任何ADC在其量化相位都使用一個(gè)基準(zhǔn)。

鑒于以上因素，我們便會(huì)明白，即使在同一個(gè)、甚至非常簡單的ADC外部視圖中也會(huì)有許多設(shè)計(jì)難點(diǎn)，同時(shí)還有許多常見問題。我們將在以下章節(jié)中逐一討論。圖2展示了將ADC集成到SoC的一般情況。

圖2：ADC到SoC的一般集成

模擬輸入信道

在轉(zhuǎn)換的第一個(gè)相位，也就是采樣相位，輸入信道的模擬輸入是最重要的。采樣電容是ADC設(shè)計(jì)的組成部分，但是采樣遇到的電阻與SoC集成有較大的關(guān)聯(lián)。需要核實(shí)一些常見的整合細(xì)節(jié)。

模擬輸入路徑的電阻決定采樣所需的時(shí)間(如果C相同，采樣時(shí)間將隨著R的增加而增加，采樣時(shí)間等于電容器的充電時(shí)間)。采樣相位通過一個(gè)開關(guān)控制。在ADC IP設(shè)計(jì)的一個(gè)可編程寄存器指定的時(shí)段內(nèi)，該開關(guān)保持關(guān)閉。

也就是說，任何模擬值存儲(chǔ)到采樣電容器的時(shí)間由使用可編程寄存器的ADC設(shè)計(jì)決定。我們稱該時(shí)間為Tswitch。同時(shí)，模擬輸入需要一定的時(shí)間給采樣電容器充電，這等于電容器通過阻抗路徑的采樣時(shí)間(RC)。我們將這段時(shí)間稱為Tsampling。對(duì)于被采樣的模擬值：

Tsampling

Tswitch在ADC IP內(nèi)編程，而Tsampling只由集成決定。因此，作為SoC設(shè)計(jì)人員，我們需要確保實(shí)現(xiàn)Tsampling最小化。一種方法是使該路徑的電阻保持最小。這種情況請(qǐng)參見圖3。

圖3：為采樣電容器提供的充電時(shí)間不足的后果

圖字：模擬I/P;C(采樣電容器);電容器充電

我們?cè)贏DC轉(zhuǎn)換過程中經(jīng)常討論SNR劣化。對(duì)于ADC來說唯一可以輕松避免的噪聲源是由于開關(guān)關(guān)閉時(shí)間不足而引入的誤差，或由于ADC阻抗路徑的采樣時(shí)間過高而引入的誤差?；厩闆r下，Tsampling或Tswitch不符合上述標(biāo)準(zhǔn)。

信道分類

信道可以兩種方式進(jìn)行分類：第一種方法是根據(jù)信道的ENOB(有效位數(shù))規(guī)格進(jìn)行分類，即精密和非精密信道，第二種方法是根據(jù)模擬輸入的來源劃分，是來自于SoC外部還是內(nèi)部，即外部信道和內(nèi)部信道。

根據(jù)ENOB規(guī)格

精密信道是指ENOB(以及SNR)較高的信道。需要確保滿足等式1才能符合較高的SNR規(guī)格。大多數(shù)SoC的設(shè)計(jì)都通過使精密信道的MUXing深度保持較低水平來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槁窂街械拿總€(gè)MUX都會(huì)引入一些R以及一些C。此外，SoC中精密信道數(shù)也有限，因?yàn)樾诺缆窂街械腗UX的階決定對(duì)模擬輸入可見的有效電容(由于電荷共享，其信道的電容器的充電時(shí)間會(huì)非常高)。

因此MUX的階必須非常小，這意味著SoC中精密信道的數(shù)量也非常少。非精密信道是指SNR規(guī)格不嚴(yán)格的信道。精密信道和非精密信道如圖2所示。因此，SoC中的非精密信道通常較多，而ADC精密信道的數(shù)量有限。

信道可以是內(nèi)部或外部信道

ADC的信道可以是外部信道(來自于padring)也可以是內(nèi)部信道(SoC內(nèi)其它IP的輸出)。

內(nèi)部信道

需要知道一個(gè)IP輸出到ADC輸入的路徑電阻的精確估算值，才能了解ADC能夠提供的最小采樣時(shí)間。如果采樣時(shí)間低于該值，那么采樣電容器充電會(huì)不足，采樣值也不正確。然后，這個(gè)不正確的值將被量化，從而導(dǎo)致SNR劣化。

外部信道

對(duì)于外部信道來說最常見的問題是，在兩個(gè)不同的ADC中同時(shí)轉(zhuǎn)換來自于一個(gè)焊盤的相同的模擬數(shù)據(jù)。造成這種情況的原因是，這兩個(gè)ADC的采樣電容器之間存在電荷共享。發(fā)生同時(shí)采樣時(shí)，一個(gè)ADC的采樣電容器上的保持采樣電壓會(huì)受到另一個(gè)ADC采樣相位的干擾。這是因?yàn)閼?yīng)該為一個(gè)電容器充電的模擬電壓遇到兩個(gè)需要充電的電容器。由于電荷共享導(dǎo)致采樣電容器采樣的數(shù)值小于輸入，從而導(dǎo)致ADC轉(zhuǎn)換了錯(cuò)誤的值。

可以保持軟件限制以確保不會(huì)同時(shí)對(duì)共享的信道進(jìn)行采樣，從而解決這個(gè)問題。另一種解決方案是，如果發(fā)生了同時(shí)采樣，則為第一個(gè)ADC提供較大的采樣時(shí)間。這將允許第一個(gè)ADC重新設(shè)置它需要轉(zhuǎn)換的電壓，從而減少轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤值的機(jī)會(huì)。

當(dāng)這些內(nèi)部/外部信道的路徑中存在傳輸門時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)常見問題。傳輸門的電阻取決于輸入電壓，因此，如果一個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)(該信號(hào)的值隨著時(shí)間不斷變化)通過該路徑到達(dá)ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則會(huì)出現(xiàn)SNR劣化。這是因?yàn)?，隨著傳輸門上模擬輸入的值不斷變化，其電阻也發(fā)生變化，導(dǎo)致采樣時(shí)間也發(fā)生了改變。這樣，采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的幾率就更大。解決這個(gè)問題的方法是，采用一個(gè)改良后的傳輸(Tx)門，它在整個(gè)輸入范圍內(nèi)均可保持相當(dāng)恒定的導(dǎo)通電阻。傳輸門的導(dǎo)通電阻與采樣電容C間應(yīng)有一個(gè)至少為10,000的因子，才能使THD小于80db

圖4：傳輸門的RON與輸入電壓變化

圖字：Ron(傳輸門電阻);I/P電壓對(duì)傳輸門的電阻曲線;Vin(傳輸門的輸入電壓)

不同SoC操作模式下的ADC的時(shí)鐘源

SoC以不同的模式工作。這些模式以芯片的不同活躍等級(jí)(電流消耗)區(qū)分。SoC可能擁有低功耗模式(部分活動(dòng)模式)以及主運(yùn)行模式(完全活動(dòng)模式)。低活動(dòng)或部分活動(dòng)模式是指設(shè)備為了降低功耗以較低頻率運(yùn)行，時(shí)鐘源通常是內(nèi)部RC振蕩器。在這些低功耗模式下，PLL通常被禁用。PLL是抖動(dòng)非常低的時(shí)鐘源，而RC振蕩器則是抖動(dòng)最大的時(shí)鐘源。

讓我們了解一下時(shí)鐘源的抖動(dòng)對(duì)SNR值的影響。采樣周期和采樣開始與結(jié)束時(shí)間以及轉(zhuǎn)換與ADC工作的時(shí)鐘源保持同步。為了讓采樣以相同的時(shí)間間隔進(jìn)行，該時(shí)鐘的沿本身應(yīng)一致統(tǒng)一。任何有抖動(dòng)的時(shí)鐘都會(huì)產(chǎn)生不均勻的時(shí)鐘沿，導(dǎo)致采樣不一致。對(duì)于某些設(shè)計(jì)類型的ADC (SAR)來說，輸入數(shù)據(jù)采樣可能只在采樣周期內(nèi)在一個(gè)時(shí)鐘沿進(jìn)行，而對(duì)于其它類型(如Σ-Δ[SD] ADC)來說，采樣可能在采樣周期內(nèi)在每個(gè)沿進(jìn)行。因此，由于時(shí)鐘抖動(dòng)，SD ADC更容易出現(xiàn)SNR劣化。

如果時(shí)鐘源有抖動(dòng)，SD ADC可能會(huì)產(chǎn)生10-12dB的SNR劣化。但無論什么類型的ADC，時(shí)鐘抖動(dòng)在一定程度上都可能會(huì)影響采樣。ADC工作的時(shí)鐘源與系統(tǒng)時(shí)鐘源一樣，取決于SoC的工作模式。對(duì)于RC振蕩器，時(shí)鐘的抖動(dòng)較大，因此SNR劣化較高，而對(duì)于PLL，抖動(dòng)較小，因此SNR劣化也較低。因此，需要平衡時(shí)鐘源導(dǎo)致的SoC電流消耗和ADC的轉(zhuǎn)換質(zhì)量。

ADC的工作參考電壓

SoC中的ADC設(shè)計(jì)需要既能夠在外部電源的參考電壓下工作，也能夠在內(nèi)部參考電壓下工作。ADC使用的各種參考電壓都有其特定的問題。讓我們逐一討論。

外部參考電壓

如果ADC使用的參考電壓是外部電壓，通常會(huì)產(chǎn)生與參考共享有關(guān)的問題。這是SoC的一個(gè)久而未解的問題，原因是一個(gè)非常簡單的限制，那就是SoC能夠擁有的粘合引腳數(shù)有限。SoC提供的外部引腳和焊盤數(shù)量有限(目的是降低成本)，因此通常的做法是使SoC中的不同ADC共享參考電壓。這就是由于一個(gè)ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致到達(dá)另一個(gè)ADC的參考電壓不穩(wěn)定的原因(兩個(gè)ADC之間的串?dāng)_)。這些串?dāng)_問題沒有在IP層模擬中解決，導(dǎo)致SoC級(jí)SNR性能不佳。

避免出現(xiàn)這種問題的一種方法是在設(shè)計(jì)時(shí)將去耦合電容器放在IP的參考焊盤附近，這會(huì)減少參考電壓的不穩(wěn)定性。但這會(huì)增加芯片的尺寸，進(jìn)而增加芯片的成本。因此，設(shè)計(jì)人員想出了了一個(gè)替代方案，那就是在封裝上減少兩個(gè)焊盤之間的公共結(jié)合線路徑，并將引腳電容器放在電路板上。通常，SoC中應(yīng)避免ADC參考焊盤共享。

圖5：ADC的外部參考共享串?dāng)_問題

外部參考

通常來說，內(nèi)部參考電壓是一個(gè)帶隙參考電壓，它是SoC內(nèi)產(chǎn)生的絕對(duì)參考電壓。應(yīng)確保在ADC開始轉(zhuǎn)換之前，該電壓值已經(jīng)穩(wěn)定下來。如果情況并非如此，那么轉(zhuǎn)換量化相位將出現(xiàn)錯(cuò)誤。通常對(duì)該問題的推薦變通方案是，SoC中的電源管理單元應(yīng)向ADC發(fā)送指示，告知帶隙參考電壓已獲得了穩(wěn)定值，ADC可以開始轉(zhuǎn)換流程。

圖6：ADC開始轉(zhuǎn)換之前應(yīng)獲得內(nèi)部參考穩(wěn)定指示

本文小結(jié)

SNR劣化現(xiàn)已成為ADC設(shè)計(jì)人員的專業(yè)術(shù)語。SoC本身存在許多集成問題，導(dǎo)致SNR劣化。本文重點(diǎn)介紹了一些常見問題以及可行的解決方案。設(shè)計(jì)人員需要確保集成正確無誤。