SoC內(nèi)ADC子系統(tǒng)集成驗證挑戰(zhàn)

現(xiàn)實世界的本質(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)幾個參數(shù)(即吞吐量、噪聲抗擾度及設計復雜性)選擇相應類型的ADC。

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

將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)需要在時間以及幅度上進行離散化。時間離散在采樣相位上進行，而幅度離散在量化相位進行。采樣通過采樣保持電路完成。采樣保持電路有一個開關(guān)、一個阻抗路徑以及一個電容，當開關(guān)關(guān)閉時在該電容上對電壓進行采樣。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：

● ADC有多個輸入信道，只有一個數(shù)字輸出。

● 信道之間存在復用，這樣，在任何時候ADC都能轉(zhuǎn)換來自于一個信道的數(shù)據(jù)。

● 采樣通過一個時鐘進行。

● 任何ADC在其量化相位都使用一個基準。

鑒于以上因素，我們便會明白，即使在同一個、甚至非常簡單的ADC外部視圖中也會有許多設計難點，同時還有許多常見問題。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設計的組成部分，但是采樣遇到的電阻與SoC集成有較大的關(guān)聯(lián)。需要核實一些常見的整合細節(jié)。

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

也就是說，任何模擬值存儲到采樣電容器的時間由使用可編程寄存器的ADC設計決定。我們稱該時間為Tswitch。同時，模擬輸入需要一定的時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間(RC)。我們將這段時間稱為Tsampling。對于被采樣的模擬值：

Tsampling

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

圖3：為采樣電容器提供的充電時間不足的后果

圖字：模擬I/P;C(采樣電容器);電容器充電

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

信道分類

信道可以兩種方式進行分類：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的設計都通過使精密信道的MUXing深度保持較低水平來實現(xiàn)，因為路徑中的每個MUX都會引入一些R以及一些C。此外，SoC中精密信道數(shù)也有限，因為信道路徑中的MUX的階決定對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間會非常高)。

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間。如果采樣時間低于該值，那么采樣電容器充電會不足，采樣值也不正確。然后，這個不正確的值將被量化，從而導致SNR劣化。

外部信道

對于外部信道來說最常見的問題是，在兩個不同的ADC中同時轉(zhuǎn)換來自于一個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ADC的采樣電容器之間存在電荷共享。發(fā)生同時采樣時，一個ADC的采樣電容器上的保持采樣電壓會受到另一個ADC采樣相位的干擾。這是因為應該為一個電容器充電的模擬電壓遇到兩個需要充電的電容器。由于電荷共享導致采樣電容器采樣的數(shù)值小于輸入，從而導致ADC轉(zhuǎn)換了錯誤的值。

可以保持軟件限制以確保不會同時對共享的信道進行采樣，從而解決這個問題。另一種解決方案是，如果發(fā)生了同時采樣，則為第一個ADC提供較大的采樣時間。這將允許第一個ADC重新設置它需要轉(zhuǎn)換的電壓，從而減少轉(zhuǎn)換錯誤值的機會。

當這些內(nèi)部/外部信道的路徑中存在傳輸門時，會出現(xiàn)一個常見問題。傳輸門的電阻取決于輸入電壓，因此，如果一個動態(tài)信號(該信號的值隨著時間不斷變化)通過該路徑到達ADC進行轉(zhuǎn)換，則會出現(xiàn)SNR劣化。這是因為，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，導致采樣時間也發(fā)生了改變。這樣，采樣數(shù)據(jù)不準確的幾率就更大。解決這個問題的方法是，采用一個改良后的傳輸(Tx)門，它在整個輸入范圍內(nèi)均可保持相當恒定的導通電阻。傳輸門的導通電阻與采樣電容C間應有一個至少為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(電流消耗)區(qū)分。SoC可能擁有低功耗模式(部分活動模式)以及主運行模式(完全活動模式)。低活動或部分活動模式是指設備為了降低功耗以較低頻率運行，時鐘源通常是內(nèi)部RC振蕩器。在這些低功耗模式下，PLL通常被禁用。PLL是抖動非常低的時鐘源，而RC振蕩器則是抖動最大的時鐘源。

讓我們了解一下時鐘源的抖動對SNR值的影響。采樣周期和采樣開始與結(jié)束時間以及轉(zhuǎn)換與ADC工作的時鐘源保持同步。為了讓采樣以相同的時間間隔進行，該時鐘的沿本身應一致統(tǒng)一。任何有抖動的時鐘都會產(chǎn)生不均勻的時鐘沿，導致采樣不一致。對于某些設計類型的ADC (SAR)來說，輸入數(shù)據(jù)采樣可能只在采樣周期內(nèi)在一個時鐘沿進行，而對于其它類型(如Σ-Δ[SD] ADC)來說，采樣可能在采樣周期內(nèi)在每個沿進行。因此，由于時鐘抖動，SD ADC更容易出現(xiàn)SNR劣化。

如果時鐘源有抖動，SD ADC可能會產(chǎn)生10-12dB的SNR劣化。但無論什么類型的ADC，時鐘抖動在一定程度上都可能會影響采樣。ADC工作的時鐘源與系統(tǒng)時鐘源一樣，取決于SoC的工作模式。對于RC振蕩器，時鐘的抖動較大，因此SNR劣化較高，而對于PLL，抖動較小，因此SNR劣化也較低。因此，需要平衡時鐘源導致的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設計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，通常會產(chǎn)生與參考共享有關(guān)的問題。這是SoC的一個久而未解的問題，原因是一個非常簡單的限制，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ADC進行轉(zhuǎn)換而導致到達另一個ADC的參考電壓不穩(wěn)定的原因(兩個ADC之間的串擾)。這些串擾問題沒有在IP層模擬中解決，導致SoC級SNR性能不佳。

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

圖5：ADC的外部參考共享串擾問題

外部參考

通常來說，內(nèi)部參考電壓是一個帶隙參考電壓，它是SoC內(nèi)產(chǎn)生的絕對參考電壓。應確保在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)錯誤。通常對該問題的推薦變通方案是，SoC中的電源管理單元應向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設計人員的專業(yè)術(shù)語。SoC本身存在許多集成問題，導致SNR劣化。本文重點介紹了一些常見問題以及可行的解決方案。設計人員需要確保集成正確無誤。