如何為逐次逼近型ADC設(shè)計可靠的數(shù)字接口？

　　簡介

　　逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（因其逐次逼近型寄存器而稱為SAR ADC）廣泛運用于要求最高18位分辨率和最高5 MSPS速率的應(yīng)用中。其優(yōu)勢包括尺寸小、功耗低、無流水線延遲和易用。

　　主機處理器可以通過多種串行和并行接口（如SPI、I2C和LVDS）訪問或控制ADC。本文將討論打造可靠、完整數(shù)字接口的設(shè)計技術(shù)，包括數(shù)字電源電平和序列、啟動期間的I/O狀態(tài)、接口時序、信號質(zhì)量以及數(shù)字活動導(dǎo)致的誤差。

　　數(shù)字I/O電源電平和序列

　　多數(shù)SAR ADC都提供獨立的數(shù)字I/O電源輸入（VIO或VDRIVE），后者決定接口的工作電壓和邏輯兼容性。此引腳應(yīng)與主機接口（MCU、DSP或FPGA）電源具有相同的電壓。數(shù)字輸入一般應(yīng)在DGND-0.3 V與VIO + 0.3 V之間，以避免違反絕對最大額定值。須在VIO引腳與DGND之間連接走線短的去耦電容。

　　采用多個電源的ADC可能擁有明確的上電序列。應(yīng)用筆記AN-932《電源序列》為這些ADC電源的設(shè)計提供了良好的參考。為了避免正向偏置ESD二極管，避免數(shù)字內(nèi)核加電時處于未知狀態(tài)，要在接口電路前打開I/O電源。模擬電源通常在I/O電源之前加電，但并非所有ADC均是如此。請參閱并遵循數(shù)據(jù)手冊中的內(nèi)容，確保序列正確。

　　啟動期間的數(shù)字I/O狀態(tài)

　　為了確保初始化正確無誤，有些SAR ADC要求處于某些邏輯狀態(tài)或序列，以實現(xiàn)復(fù)位、待機或關(guān)斷等數(shù)字功能。在所有電源都穩(wěn)定之后，應(yīng)施加指定脈沖或組合，以確保ADC啟動時的狀態(tài)符合預(yù)期。例如，一個高脈沖在RESET上持續(xù)至少50 ns，這是配置AD7606以使其在上電后能正常運行所必須具備的條件。

　　在所有電源均完全建立之前，不得切換數(shù)字引腳。對于SAR ADC，轉(zhuǎn)換開始引腳CNVST可能對噪聲敏感。在圖1所示示例中，當(dāng)AVCC、DVCC和VDRIVE仍在上升時，主機cPLD拉高CNVST。這可能使AD7367進入未知狀態(tài)，因此，在電源完全建立之前，主機應(yīng)使CNVST保持低電平。

　　圖1. 在電源上升時拉高CNVST可能導(dǎo)致未知狀態(tài)

　　數(shù)字接口時序

　　轉(zhuǎn)換完成之后，主機可以通過串行或并行接口讀取數(shù)據(jù)。為了正確讀取數(shù)據(jù)，須遵循特定的時序策略，比如，SPI總線需要采用哪種模式等。不得違反數(shù)字接口時序規(guī)范，尤其是ADC和主機的建立和保持時間。最大比特率取決于整個循環(huán)，而不僅僅是最小額定時鐘周期。圖2和下列等式展示了如何計算建立和保持時間裕量。主機把時鐘發(fā)送至ADC并讀取ADC輸出的數(shù)據(jù)。

　　圖2. 建立和保持時序裕量

　　tCYCLE = tJITTER+ tSETUP + tPROP_DATA+ tPROP_CLK + tDRV + tMARGIN

　　tCYCLE： 時鐘周期 = 1/fCLOCK

　　tJITTER： 時鐘抖動

　　tSETUP： 主機建立時間

　　tHOLD： 主機保持時間

　　tPROP_DATA： 從ADC到主機的傳輸線路的數(shù)據(jù)傳播延遲

　　tPROP_CLK： 從主機到ADC的傳輸線路的數(shù)據(jù)傳播延遲

　　tDRV： 時鐘上升/下降沿后的數(shù)據(jù)輸出有效時間

　　tMARGIN： 裕量時間大于等于0表示達到建立時間或保持時間要求，小于0表示未達到建立時間或保持時間要求。

　　主機建立時間裕量

　　tMARGIN_SETUP = tCYCLE， MIN – tJITTER – tSETUP – tPROP_DATA – tPROP_CLK – tDRV， MAX

　　建立時間等式以最大系統(tǒng)延遲項定義最小時鐘周期時間或最大頻率。要達到時序規(guī)格，必須大于等于0。提高周期（降低時鐘頻率）以解決系統(tǒng)延遲過大問題。對于緩沖器、電平轉(zhuǎn)換器、隔離器或總線上的其他額外元件，把額外延遲加入tPROP_CLK和tPROP_DATA。

　　類似地，主機的保持時間裕量為

　　tMARGIN_HOLD = tPROP_DATA + tPROP_CLK + tDRV – tJITTER – tHOLD

　　保持時間等式規(guī)定了最小系統(tǒng)延遲要求，以避免因違反保持時間要求而出現(xiàn)邏輯錯誤。要達到時序規(guī)格，必須大于等于0。

　　ADI公司帶SPI接口的許多SAR ADC都是從CS或CNV的下降沿為MSB提供時鐘信號，剩余的數(shù)據(jù)位則跟隨SCLK的下降沿，如圖3所示。在讀取MSB數(shù)據(jù)時，要使用等式中的tEN而非tDRV。

　　圖3. AD7980 3線CS模式下的SPI時序

　　因此，除了最大時鐘速率以外，數(shù)字接口的最大工作速率也取決于建立時間、保持時間、數(shù)據(jù)輸出有效時間、傳播延遲和時鐘抖動。

　　在圖4中，DSP主機訪問AD7980處于3線CS模式下，其中，VIO = 3.3 V。DSP鎖存SCLK下降沿上的SDO信號。DSP的額定最小建立時間為5 ns，最小保持時間為2 ns。對于典型的FR-4PCB板，傳播延遲約為180 ps/in。緩沖器的傳播延遲為5 ns。CNV、SCLK和SDO的總傳播延遲為

　　tPROP = 180 ps/in × （9 in + 3 in） + 5 ns = 7 ns

　　tJITTER = 1 ns。主機SCLK的工作頻率為30 MHz，因此，tCYCLE= 33 ns

　　tSETUP_MARGIN= 33 ns –1 ns – 5 ns – 7 ns – 11 ns – 7 ns = 2 ns

　　tHOLD_MARGIN= 11 ns + 7 ns + 7 ns – 1 ns – 2 ns = 22 ns

　　建立時間和保持時間裕量均為正，因此，SPI SCLK可以在30 MHz下工作。

　　圖4. DSP和AD7980之間的數(shù)字接口

　　數(shù)字信號質(zhì)量

　　數(shù)字信號完整性（包括時序和信號質(zhì)量）確保：在額定電壓下接收信號；不相互干擾；不損壞其他器件；不污染電磁頻譜。信號質(zhì)量由多個項定義，如圖5所示。本部分將介紹過沖、振鈴、反射和串?dāng)_。

　　圖5. 常用信號質(zhì)量規(guī)格

　　反射是阻抗不匹配導(dǎo)致的結(jié)果。當(dāng)信號沿著走線傳播時，每個接口處的瞬時阻抗都不相同。部分信號會反射回去，部分信號會繼續(xù)沿著線路傳播。反射可能在接收器端產(chǎn)生過沖、欠沖、振鈴和非單調(diào)性時鐘邊沿。

　　過沖和欠沖可能損壞輸入保護電路，或者縮短IC的使用壽命。圖6所示為AD7606的絕對最大額定值。數(shù)字輸入電壓應(yīng)在–0.3 V和VDRIVE + 0.3 V之間。另外，如果振鈴高于最大VIL或小于最小VIH可能導(dǎo)致邏輯誤差。

　　絕對最大額定值

　　除非另有說明，TA = 25℃

　　圖6. AD7606的絕對最大額定值

　　為了減少反射：

　　●盡量縮短走線的長度

　　●控制走線的特性阻抗

　　●消除分支

　　●使用適當(dāng)?shù)亩私臃桨?/p>

　　●用環(huán)路面積小的固體金屬作為返回電流參考平面

　　●使用較低的驅(qū)動電流和壓擺率

　　針對走線特性阻抗的計算，目前有許多軟件工具或網(wǎng)站，比如Polar Instruments Si9000 PCB傳輸線路場求解器。借助這些工具，特性阻抗計算起來非常簡單，只需選擇傳輸線路型號并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可，比如電介質(zhì)類型和厚度以及走線寬度、厚度和隔離。

　　作為一種新興標(biāo)準(zhǔn)，IBIS用于描述IC數(shù)字I/O的模擬行為。ADI提供針對SAR ADC的IBIS模型。預(yù)布局仿真可檢測時鐘分布、芯片封裝類型、電路板堆疊、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和端接策略。也可檢測串行接口時序限制以便為定位和布局提供指導(dǎo)。后仿真可驗證設(shè)計是否符合所有指導(dǎo)方針和限制的要求，同時檢測是否存在反射、振鈴、串?dāng)_等違反要求的情況。

　　在圖7中，一個驅(qū)動器通過一條12英寸的微帶線路連接SCLK1，另一個驅(qū)動器通過一個與微帶串聯(lián)的43Ω電阻連接SCLK2。

　　圖7. 驅(qū)動AD7606 SCLK

　　在圖8中，SCLK1上的大過沖違反了–0.3 V至+3.6 V的絕對最大額定值。串聯(lián)電阻可減小SCLK2上的壓擺率，使信號處于額定值之內(nèi)。

　　圖8. AD7606 IBIS過沖模型仿真

　　串?dāng)_是能量通過互電容（電場）或互感（磁場）在并行傳輸線路間耦合的情況。串?dāng)_量取決于信號的上升時間、并行線路的長度以及它們之間的間距。

　　控制串?dāng)_的一些常用方法為：

　　●增加線路間距

　　●減小并行布線

　　●使走線靠近參考金屬平面

　　●使用適當(dāng)?shù)亩私臃桨?/p>

　　●減小信號壓擺率

數(shù)字活動導(dǎo)致的性能下降#e#

　　數(shù)字活動導(dǎo)致的性能下降

　　數(shù)字活動可能導(dǎo)致SAR ADC性能下降，使SNR因數(shù)字地或電源噪聲、采樣時鐘抖動和數(shù)字信號干擾而減小。

　　孔徑或采樣時鐘抖動設(shè)定SNR限值，尤其是對高頻輸入信號。系統(tǒng)抖動有兩個來源： 來自片內(nèi)采樣保持電路的孔徑抖動（內(nèi)部抖動），以及采樣時鐘上的抖動（外部抖動）?？讖蕉秳訛檗D(zhuǎn)換間的采樣時間變化，為ADC的函數(shù)。采樣時鐘抖動通常為主要誤差源，但兩個源都會導(dǎo)致模擬輸入采樣時間變化，如圖9所示。它們的影響難以區(qū)分。

　　總抖動會產(chǎn)生誤差電壓，ADC總SNR的限制因素為

　　總抖動 = tJ （rms）

　　總抖動 = √（ADC孔徑抖動）2+（采樣時鐘抖動）2

　　其中，f為模擬輸入頻率，tJ為總時鐘抖動。

　　圖9. 采樣時鐘抖動導(dǎo)致的誤差電壓

　　數(shù)字輸出開關(guān)導(dǎo)致的電源噪聲應(yīng)與敏感的模擬電源相隔離。分別去耦模擬和數(shù)字電源，密切注意地回流路徑。

　　高精度SAR ADC可能對數(shù)字接口上的活動很敏感，即使電源適當(dāng)去耦和隔離時。突發(fā)時鐘往往優(yōu)于連續(xù)時鐘。數(shù)據(jù)手冊通常會列出接口不應(yīng)活動的安靜時間。在較高吞吐速率條件下，可能難以減少這些時間內(nèi)的數(shù)字活動，通常為采樣時刻及出現(xiàn)關(guān)鍵位判斷點時。

　　結(jié)論

　　密切注意數(shù)字活動，確保SAR ADC轉(zhuǎn)換有效。數(shù)字活動導(dǎo)致的誤差可能使SAR ADC進入未知狀態(tài)，導(dǎo)致故障，或者降低性能。希望本文能幫助設(shè)計師排查根本原因，同時還能提供解決方案。

　　參考文獻

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