用于高速 ADC 的串行接口

在諸如核磁共振成像 (MRI)、超聲波、CT 掃描儀、數(shù)字 X 射線等醫(yī)療應(yīng)用中，經(jīng)常需要使用有很多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 對大量數(shù)據(jù)采樣。用串行接口來獲取采樣數(shù)據(jù)可減少 ADC 與 FPGA 的引腳數(shù)。此外，高速串行接口布線可節(jié)省電路板空間。由于電路板資源十分稀缺，F(xiàn)PGA 引腳也是非常寶貴的資源，所以與并行接口相比，串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口的優(yōu)勢是顯然的。今天，有兩種適用于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的串行接口可供選擇。第一種選擇是串行時(shí)鐘-數(shù)據(jù)-幀 (CDF) 接口，該接口整合了串行化 LVDS (低壓差分信號) 數(shù)據(jù)流以及差分時(shí)鐘和幀時(shí)鐘，其中差分時(shí)鐘用于準(zhǔn)確地收集數(shù)據(jù)，幀時(shí)鐘用于建立數(shù)據(jù)采樣的邊沿。第二種選擇是采用 JESD204 標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中，時(shí)鐘嵌入到 Gbps 級高速兩線串行數(shù)據(jù)流中。這兩種接口均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。由于用來驅(qū)動高速 JESD204 接口的電流模式邏輯 (CML) 對需要較大的功率，所以串行 LVDS 是實(shí)現(xiàn)功率較低且有大量通道的便攜式設(shè)計(jì)的首選。但是在串行 LVDS 不適用的場合，JESD204 接口就可以發(fā)揮作用。

串行LVDS 的優(yōu)勢
串行 LVDS 輸出格式減少了 ADC 和 FPGA 之間所需的數(shù)字 I/O 數(shù)量，節(jié)省了 FPGA 引腳、電路板面積和成本。此外，通過在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上采用串行接口，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所需的引腳數(shù)量也大大減少了，從而可實(shí)現(xiàn)尺寸小得多的封裝尺寸。這種優(yōu)勢在有很多通道的設(shè)計(jì)中得到了充分的顯現(xiàn)。采用串行 LVDS 接口還是采用并行接口則取決于應(yīng)用能否承受較大的功耗，以及 FPGA 是否有能力處理高速數(shù)據(jù)流。LTC2195 是一款 16 位、125Msps 雙通道 ADC，具串行 LVDS 輸出，每通道功耗僅為 216mW。不過，與使用雙通道并行輸出版本 LTC2185 (參見圖 1 中的完整產(chǎn)品系列圖) 相比，串行 LVDS 接口每通道多消耗 31mW 功率。這個(gè) 16 位高速 ADC 系列提供了卓越的 76.8dB 基帶 SNR 性能以及 90dB SFDR，同時(shí)在使用 1.8V 電源時(shí)，功耗非常低。

圖 1：凌力爾特的 16 位低功率、高速 ADC 系列

就高速 ADC 而言，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)時(shí)鐘、幀時(shí)鐘和數(shù)據(jù)時(shí)，通常發(fā)送器和接收器均需要一個(gè)鎖相環(huán) (PLL)，以正確協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)時(shí)鐘。在 GHz 速率時(shí)，這種協(xié)調(diào)非常困難，而且數(shù)據(jù)傳輸速率主要受到接收器的限制。最終，在高于 1GHz 時(shí)，一般不采用這種 6 線串行發(fā)送方法，從而限制了 ADC 的速率或說限制了 ADC 的分辨率。

就一個(gè) 16 位高速 ADC 而言，這就將采樣頻率限制到 62.5Msps。為了實(shí)現(xiàn)更高的采樣頻率，每個(gè) ADC 通道可以采用兩個(gè)或 4 個(gè)“線道”。使用兩“線道”時(shí)，串行數(shù)據(jù)速率減半，奇數(shù)位和偶數(shù)位分開，進(jìn)入兩個(gè)串行數(shù)據(jù)流差分對。采用雙“線道”模式時(shí)，16 位 125Msps ADC 將提供 1Gbps 的串行輸出數(shù)據(jù)速率。LTC2195 串行 LVDS 系列多提供一種 4“線道”模式，允許低得多的 500Mbps 數(shù)據(jù)傳輸速率，在該模式時(shí)，每通道使用 4 個(gè)差分對，總共有 20 條線，其中包括差分幀和時(shí)鐘對 (參見圖 2)。這允許與較低價(jià)、較低速的 FPGA 連接。為了正確理解所需的數(shù)字輸出線數(shù)量，再看一下采用并行 LVDS 輸出的情況，這時(shí)每通道將需要 32 條線。今天，市面上已經(jīng)有具雙數(shù)據(jù)速率 (DDR) LVDS 輸出的 ADC 了，這類 ADC 每通道僅需要 16 條線。使用這種器件，輸出端的數(shù)據(jù)速率將是采樣頻率的兩倍。諸如 LTC2185 等雙通道 16 位 ADC 還提供可供選擇的 DDR CMOS 輸出，這將所需數(shù)據(jù)線的數(shù)量減少到每通道僅為 8 條。當(dāng)考慮使用諸如 16 位 125Msps LTC2165 這類單通道高速 ADC 時(shí)，提供串行 LVDS 接口就不再有意義了，因?yàn)樵谒钄?shù)據(jù)線的數(shù)量上沒有差別。DDR CMOS 采用 8 條并行輸出線，而兩“線道”串行 LVDS (由于采樣率高于 62.5Msps，所以需要) 也采用 8 條線 (4 條線用于數(shù)據(jù)，4 條線用于數(shù)據(jù)時(shí)鐘和幀時(shí)鐘)。此外，串行 LVDS 增大了設(shè)備的功耗，這是便攜式應(yīng)用擔(dān)憂的一個(gè)問題。

圖 2：16 位低功率 ADC 系列的數(shù)字輸出配置

就高通道密度醫(yī)療應(yīng)用而言，凌力爾特現(xiàn)在提供 8 通道 14 位 125Msps ADC LTM9011-14，這款新的低功率器件采用緊湊型 140 引腳 11.25mm x 9mm BGA 封裝，提供 73.1dB 的信噪比 (SNR) 性能以及高于 -90dBc 的通道隔離。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，也為了節(jié)省空間，該器件還靠近芯片集成了所有必要的旁路電容。在 125Msps 時(shí)，功耗僅為每通道 140mW。80Msps (LTM9009-14) 和 105Msps (LTM9010-14) 版本每通道分別消耗 94mW 功率和 113mW 功率，更低采樣率、更低功耗的版本正在開發(fā)之中。針對便攜式應(yīng)用，LTM9011 系列提供可將功耗降至僅為 2mW 的休眠模式。LTM9011 提供串行 LVDS 格式，并面向高于 62.5Msps 的采樣率提供雙“線道”輸出模式。LTM9011 8 通道系列以低功率、14 位和 12 位、25Msps 至 125Msps 串行 LVDS 4 通道 (LTC2175) 及雙通道 (LTC2268) ADC 系列為基礎(chǔ)，具類似的性能特點(diǎn) (參見圖 3)。新的美國出口管理?xiàng)l例已經(jīng)改變了這些器件的分類，這些器件的出口控制分類號 (ECCN#) 已經(jīng)從3A001 改為不那么嚴(yán)格的 ECCN# 3A991 了。這些器件以每 Msps 僅超過 1mW 的超低功耗，提供了無與倫比的性能，可保持很多醫(yī)療應(yīng)用的便攜性。如需獲得不受美國出口管制條例限制的高速 ADC 產(chǎn)品完整列表，請?jiān)L問：www.linear.com.cn/hsadc_nolicense。

圖 3：具串行 LVDS 輸出的 14 位 / 12 位、25Msps 至 125Msps 四通道 / 雙通道 ADC 系列

對于在 ADC 和邏輯器件之間布設(shè)高速數(shù)字線的挑戰(zhàn)，數(shù)字設(shè)計(jì)師也許太熟悉了。設(shè)計(jì)師必須極其小心地確保在高速走線之間有足夠的間隔，以及確保數(shù)字信號不跨越模擬邊界。布局不佳會導(dǎo)致數(shù)字開關(guān)噪聲反饋回 ADC 的模擬輸入，從而引起系統(tǒng)總體性能下降。LTM9011 系列提供了直通式引出腳配置，從而減少了布設(shè)數(shù)據(jù) I/O 線所需占用的電路板面積，并簡化了布局，可最大限度地減少與數(shù)字反饋相關(guān)的問題 (參見圖 4)。其他選項(xiàng)包括降低數(shù)字反饋的數(shù)據(jù)輸出隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器、7 個(gè)可編程 LVDS 輸出電流值、內(nèi)部 100Ω LVDS 輸出終端電阻器、以及數(shù)字輸出測試碼型。這些配置可以非常容易地通過 SPI 或硬連線設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)更小的操作模式組。

圖 4：14 位、 80Msps 至 125Msps、 8 通道 ADC 提供直通式引出腳，
以易于布設(shè)至 FPGA 的走線

凌力爾特公司提供的所有這些串行 LVDS ADC 都可用配備了 VITA-57 FPGA Mezzanine 連接器 (FMC) 的演示版進(jìn)行評估。運(yùn)用強(qiáng)大的 PScopeTM QuikEvalTM II 軟件，工程師還能評估多個(gè)并行輸入通道的性能。PScope 軟件是凌力爾特公司的高速 ADC 評估軟件。就一個(gè)簡單的程序而言，它用幾秒鐘就能完成復(fù)雜的計(jì)算。PScope 軟件使工程師能快速和容易地評估信噪比 (SNR)、無寄生動態(tài)范圍 (SFDR)、總的諧波失真 (THD) 以及高速 ADC 的其他關(guān)鍵參數(shù)。PScope 這一工具還可以執(zhí)行更復(fù)雜的計(jì)算，如計(jì)算兩個(gè)單音測試的互調(diào)失真，或者計(jì)算按動按鈕時(shí)擴(kuò)展頻譜信號的相鄰?fù)ǖ拦β时?(ACPR)。它還支持諸如 LTM9011 等多通道 ADC，從而允許同時(shí)測量 8 個(gè) ADC 通道。

圖 5 是一個(gè)屏幕截圖，顯示了 PScope 數(shù)據(jù)收集與分析軟件工具的強(qiáng)大功能。

圖 5：凌力爾特的 PScope 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器分析軟件

JESD204 高速串行接口
8B/10B 編碼當(dāng)初是由 IBM 于 1980 年發(fā)明的，該編碼無需幀時(shí)鐘和數(shù)據(jù)時(shí)鐘，這使得在高于 2GHz 的串行數(shù)據(jù)速率時(shí)，能實(shí)現(xiàn)單條傳輸線對通信。8B/10B 編碼的獨(dú)特特性允許將數(shù)據(jù)時(shí)鐘嵌入于數(shù)據(jù)本身之中，并通過初始幀同步，用 COMMA (逗號) 字符與幀一起保持。為了以標(biāo)準(zhǔn)化方式實(shí)現(xiàn)這種編碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口，JEDEC 規(guī)范 JESD204 定義了所需的協(xié)議和電特性，這使得新一代更快、更準(zhǔn)確的串行 ADC 得以實(shí)現(xiàn)，如凌力爾特公司具 77.6dB SNR 和 100dB SFDR 的 16 位、105Msps ADC LTC2274。JESD204 接口利用很多高性能 FPGA 上提供的 SerDes 端口，騰出了通用 I/O 用于其他功能。缺點(diǎn)是 ADC 上的電流模式邏輯驅(qū)動器消耗比 LVDS 驅(qū)動器大得多的電流。另外，還必須有足夠的 SerDes 端口可用，以容納所有 ADC 接口。

與典型 6 線串行傳輸相比的優(yōu)勢
8B/10B 編碼數(shù)據(jù)因其行程長度有限，故而適合于時(shí)鐘恢復(fù)電路。另外，由于它采用 DC 平衡，因此還可適應(yīng) AC 耦合。8B/10B 編碼需要進(jìn)行從一個(gè) 8 位組至一個(gè) 10 位代碼組的變換。在每個(gè)代碼組中，“1”和“0”的數(shù)量之差從不超過 2。通過監(jiān)視連續(xù)代碼組中的“1”和“0”的數(shù)量，可以計(jì)算出運(yùn)行差異。發(fā)送器和接收器利用該差異對數(shù)據(jù)編碼和解碼。對于每個(gè)輸入八位組，存在兩種可能的 10 位輸出代碼。選擇哪種代碼進(jìn)行傳送取決于運(yùn)行差異，并旨在保持“1”與“0”的平均數(shù)量相等。8B/10B 編碼的這種特性可確保信號的 DC 偏移為零。當(dāng)數(shù)據(jù)被編碼時(shí)，將對其進(jìn)行串行化和傳送 (始于第一個(gè)代碼組的“0”位)。JESD204 規(guī)范要求第一個(gè)代碼組對應(yīng)于數(shù)據(jù)的最高有效字節(jié)。第二個(gè)代碼組對應(yīng)于數(shù)據(jù)的最低有效字節(jié)。這兩個(gè)代碼組組合起來形成一個(gè)數(shù)據(jù)幀，從而構(gòu)成一個(gè)樣本。一個(gè) 16 位 ADC 將被編碼為兩個(gè) 10 位代碼組，然后與采樣速率相乘以確定兩線式串行數(shù)據(jù)流的位速率。16-bit 105Msps LTC2274 在編碼之后可產(chǎn)生一個(gè)以 2.1Gbps 速率進(jìn)行傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)流。在此速度下，8B/10B 編碼及其獨(dú)特特性使得能夠通過一個(gè)兩線式接口可靠地傳輸串行數(shù)據(jù)。

JESD204 串行接口對于成本敏感型應(yīng)用最有意義，在這類應(yīng)用中，F(xiàn)PGA 引腳數(shù)量決定了設(shè)計(jì)的成本。醫(yī)療成像等多通道應(yīng)用將從引腳數(shù)量減少中受益，因?yàn)橐子诓季€并額外節(jié)省了空間。

結(jié)論
選擇串行 LVDS 還是選擇 JESD204 接口標(biāo)準(zhǔn)，將取決于 FPGA上 SerDes 端口的功耗要求和可用性。如果考慮到便攜性，那么串行 LVDS 最適合采樣率高達(dá) 125Msps、分辨率高達(dá) 16 位的多通道 ADC。