JESD204標(biāo)準(zhǔn)解析，為什么我們要重視它？

一種新的轉(zhuǎn)換器接口的使用率正在穩(wěn)步上升，并且有望成為未來轉(zhuǎn)換器的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。這種新接口——JESD204——誕生于幾年前，其作為轉(zhuǎn)換器接口經(jīng)過幾次版本更新后越來越受矚目，效率也更高。隨著轉(zhuǎn)換器分辨率和速度的提高，對更高效率接口的需求也隨之增長。JESD204接口可提供這種高效率，較之CMOS和LVDS接口產(chǎn)品在速度、尺寸和成本上更有優(yōu)勢。采用JESD204的設(shè)計(jì)具有更高的接口速率，能支持轉(zhuǎn)換器的更高采樣速率。此外，引腳數(shù)量的減少使得封裝尺寸更小且布線數(shù)量更少，這些都讓電路板更容易設(shè)計(jì)并且整體系統(tǒng)成本更低。該標(biāo)準(zhǔn)可以方便地調(diào)整，從而滿足未來需求，這從它已經(jīng)歷的兩個版本的變化中即可看出。自從2006年發(fā)布以來，JESD204標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過兩次更新，目前版本為B。由于該標(biāo)準(zhǔn)已為越來越多的轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商、用戶以及FPGA制造商所采納，它被細(xì)分并增加了新特性，提高了效率和實(shí)施的便利性。此標(biāo)準(zhǔn)既適用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)也適用于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，更重要的是作為FPGA的通用接口（也可能用于ASIC）。

JESD204 – 它是什么？

2006年4月，JESD204最初版本發(fā)布。該版本描述了轉(zhuǎn)換器和接收器（通常是FPGA或ASIC）之間幾個G比特的串行數(shù)據(jù)鏈路。在JESD204的最初版本中，串行數(shù)據(jù)鏈路被定義為一個或多個轉(zhuǎn)換器和接收器之間的單串行通道。圖1給出了圖形說明。圖中的通道代表M個轉(zhuǎn)換器和接收器之間的物理接口，該接口由采用電流模式邏輯(CML)驅(qū)動器和接收器的差分對組成。所示鏈路是轉(zhuǎn)換器和接收器之間的串行數(shù)據(jù)鏈路。幀時鐘同時送至轉(zhuǎn)換器和接收器，并為設(shè)備間的JESD204鏈路提供時鐘。

圖1. JESD204最初標(biāo)準(zhǔn)

通道數(shù)據(jù)速率定義為312.5 Mbps與3.125 Gbps之間，源阻抗與負(fù)載阻抗定義為100 ? ±20%。差分電平定義為標(biāo)稱800 mV峰峰值、共模電平范圍從0.72 V至1.23 V。該鏈路利用8b/10b編碼，采用嵌入式時鐘，這樣便無需額外的時鐘線路，避免了高數(shù)據(jù)速率下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與額外的時鐘信號對齊的復(fù)雜性。當(dāng)JESD204標(biāo)準(zhǔn)開始被使用時，人們開始意識到該標(biāo)準(zhǔn)需要修訂以支持多個轉(zhuǎn)換器下的多路、對齊的串行通道，以滿足轉(zhuǎn)換器日益增長的速度和分辨率。

這種認(rèn)識促成了2008年4月份JESD2004第一個修訂版的發(fā)布，即JESD204A。此修訂版增加了支持多個轉(zhuǎn)換器下的多路對齊串行通道的能力。該版本所支持的通道數(shù)據(jù)速率依然為312.5 Mbps至3.125 Gbps，另外還保留了幀時鐘和電氣接口規(guī)范。增加了對多路對齊串行通道的支持，可讓高采樣速率和高分辨率的轉(zhuǎn)換器達(dá)到3.125 Gbps的最高支持?jǐn)?shù)據(jù)速率。圖2以圖形表示JESD204A版本中增加的功能，即支持多通道。

圖2. 第一版 – JESD204A

雖然最初的JESD204標(biāo)準(zhǔn)和修訂后的JESD204A標(biāo)準(zhǔn)在性能上都比老的接口標(biāo)準(zhǔn)要高，它們依然缺少一個關(guān)鍵因素：這一缺少的因素就是鏈路上串行數(shù)據(jù)的確定延遲。對于轉(zhuǎn)換器，當(dāng)接收到信號時，若要正確重建模擬域采樣信號，則關(guān)鍵是了解采樣信號和其數(shù)字表示之間的時序關(guān)系（雖然這種情況是針對ADC而言，但DAC的情況類似）。該時序關(guān)系受轉(zhuǎn)換器的延遲影響，對于ADC,它定義為輸入信號采樣邊沿的時刻直至轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字這段時間內(nèi)的時鐘周期數(shù)。類似地，對于DAC，延遲定義為數(shù)字信號輸入DAC的時刻直至模擬輸出開始轉(zhuǎn)變這段時間內(nèi)的時鐘周期數(shù)。JESD204及JESD204A標(biāo)準(zhǔn)中沒有定義這樣一種功能——可明確地設(shè)置轉(zhuǎn)換器及其串行數(shù)字輸入/輸出的延時。另外，轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率也不斷提升。這些因素導(dǎo)致了該標(biāo)準(zhǔn)的第二次修訂——JESD204B。
2011年7月，第二次修訂后的版本發(fā)布，稱為JESD204B，即當(dāng)前版本。修訂后的標(biāo)準(zhǔn)中，其中一個重要方面就是加入了實(shí)現(xiàn)確定延遲的條款。另外，對數(shù)據(jù)速率的支持上升到了12.5 Gbps，并分成設(shè)備的不同速度等級。此修訂版標(biāo)準(zhǔn)使用設(shè)備時鐘作為主要時鐘源，而不是像之前版本那樣以幀時鐘作為主時鐘源。圖3表示JESD204B版本中的新增功能。

圖3. 第二（當(dāng)前）次修訂版– JESD204B

在JESD204標(biāo)準(zhǔn)之前的兩個版本中，沒有確保通過接口的確定延遲相關(guān)的條款。JESD204B修訂版通過提供一種機(jī)制，確保兩個上電周期之間以及鏈路重新同步期間，延遲是可重現(xiàn)和確定性的。其工作機(jī)制之一是：在定義明確的時刻使用SYNC~輸入信號，同時初始化所有通道中轉(zhuǎn)換器最初的通道對齊序列。另一種機(jī)制是使用SYSREF信號——一種JESD204B定義的新信號。SYSREF信號作為主時序參考，對齊所有設(shè)備時鐘的內(nèi)部分頻，同樣也對其在各個發(fā)射和接收端中的本地多幀時鐘。這有助于確保通過系統(tǒng)的確定延遲。JESD204B規(guī)范定義了三種設(shè)備子類：子類0 – 不支持確定延遲；子類1 – 使用SYSREF的確定延遲；以及子類2 – 使用SYNC~的確定延遲。子類0可與JESD204A鏈路做簡單對比。子類1最初針對工作在500MSPS或以上的轉(zhuǎn)換器，而子類2最初針對工作在500MSPS以下的轉(zhuǎn)換器。

除了確定延遲，JESD204B支持的通道數(shù)據(jù)速率上升到12.5 Gbps，并將設(shè)備劃分為三個不同的速度等級：所有三個速度等級的源阻抗和負(fù)載阻抗相同，均定義為100 ? ±20%。第一速度等級與JESD204和JESD204A標(biāo)準(zhǔn)定義的通道數(shù)據(jù)速率相同，即通道數(shù)據(jù)電氣接口速率最高為3.125 Gbps。JESD204B的第二速度等級定義了通道數(shù)據(jù)速率最高為6.375 Gbps的電氣接口。該速度等級將第一速度等級的最低差分電平從500 mV峰峰值降為400 mV峰峰值。JESD204B的第三速度等級定義了通道數(shù)據(jù)速率最高為12.5 Gbps的電氣接口。該速度等級電氣接口要求的最低差分電平降低至360 mV峰峰值。隨著不同速度等級的通道數(shù)據(jù)速率的上升，通過降低所需驅(qū)動器的壓擺率，使得所需最低差分電平也隨之降低，以便物理實(shí)施更為簡便。

為提供更多的靈活性，JESD204B版本采用設(shè)備時鐘而非幀時鐘。在之前的JESD204和JESD204A版本中，幀時鐘是JESD204系統(tǒng)的絕對時間參照。幀時鐘和轉(zhuǎn)換器采樣時鐘通常是相同的。這樣就沒有足夠的靈活性，而且當(dāng)要將此同一信號發(fā)送給多個設(shè)備并計(jì)數(shù)不同路徑之間的偏斜時，就會對系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生不必要的復(fù)雜性。JESD204B中，采用設(shè)備時鐘作為JESD204系統(tǒng)每個元件的時間參照。每個轉(zhuǎn)換器和接收器分別接收由時鐘發(fā)生器電路產(chǎn)生的設(shè)備時鐘，該發(fā)生器電路負(fù)責(zé)從同一個源產(chǎn)生所有設(shè)備的時鐘。這讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，但需為每個給定設(shè)備指定幀時鐘和設(shè)備時鐘之間的關(guān)系。

JESD204 – 為什么我們要重視它？

就像幾年前LVDS開始取代CMOS成為轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口技術(shù)的首選，JESD204有望在未來數(shù)年內(nèi)以類似的方式發(fā)展。雖然CMOS技術(shù)目前還在使用中，但已基本被LVDS所取代。轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率以及對更低功耗的要求最終使得CMOS和LVDS將不再適合轉(zhuǎn)換器。隨著CMOS輸出的數(shù)據(jù)速率提高，瞬態(tài)電流也會增大，導(dǎo)致更高的功耗。雖然LVDS的電流和功耗依然相對較為平坦，但接口可支持的最高速度受到了限制。這是由于驅(qū)動器架構(gòu)以及眾多數(shù)據(jù)線路都必須全部與某個數(shù)據(jù)時鐘同步所導(dǎo)致的。圖4顯示一個雙通道14位ADC的CMOS、LVDS和CML輸出的不同功耗要求。

圖4. CMOS、LVDS和CML驅(qū)動器功耗比較

在大約150 – 200 MSPS和14位分辨率時，就功耗而言，CML輸出驅(qū)動器的效率開始占優(yōu)。CML的優(yōu)點(diǎn)是：因?yàn)閿?shù)據(jù)的串行化，所以對于給定的分辨率，它需要的輸出對數(shù)少于LVDS和CMOS驅(qū)動器。JESD204B接口規(guī)范所說明的CML驅(qū)動器還有一個額外的優(yōu)勢，因?yàn)楫?dāng)采樣速率提高并提升輸出線路速率時，該規(guī)范要求降低峰峰值電壓水平。同樣，針對給定的轉(zhuǎn)換器分辨率和采樣率，所需的引腳數(shù)目也大為減少。表1顯示采用200 MSPS轉(zhuǎn)換器的三種不同接口各自的引腳數(shù)目，轉(zhuǎn)換器具有各種通道數(shù)和位分辨率。在CMOS和LVDS輸出中，數(shù)據(jù)用作每個通道數(shù)據(jù)的同步時鐘，使用CML輸出時，JESD204B數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率為4.0 Gbps。從該表中可以發(fā)現(xiàn)，使用CML驅(qū)動器的JESD204B優(yōu)勢十分明顯，引腳數(shù)大為減少。

業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商ADI預(yù)見到了推動轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口向JESD204（由JEDEC定義）發(fā)展的趨勢。ADI自從初版JESD204規(guī)范發(fā)布之時起即參與標(biāo)準(zhǔn)的定義。截至目前為止，ADI發(fā)布了多款轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，兼容JESD204和JESD204A輸出，目前正在著手開發(fā)輸出兼容JESD204B的產(chǎn)品。AD9639是一款四通道、12位、170/210 MSPS ADC，集成JESD204接口。AD9644和AD9641是14位、80/155 MSPS、雙通道/單通道ADC，集成JESD204A接口。DAC這方面，最近發(fā)布的AD9128是一款雙通道、16位、1.25 GSPS DAC，集成JESD204A接口。欲了解有關(guān)ADI公司兼容JESD204標(biāo)準(zhǔn)的更多產(chǎn)品，請?jiān)L問www.analog.com/jesd204

隨著轉(zhuǎn)換器速度和分辨率的提高，對于效率更高的數(shù)字接口的需求也隨之增長。隨著JESD204串行數(shù)據(jù)接口的發(fā)明，業(yè)界開始意識到了這點(diǎn)。接口規(guī)范依然在不斷發(fā)展中，以提供更優(yōu)秀、更快速的方法將數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換器和FPGA（或ASIC）之間傳輸。接口經(jīng)過兩個版本的改進(jìn)和實(shí)施，以適應(yīng)對更高速度和分辨率轉(zhuǎn)換器不斷增長的需求。展望轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口的發(fā)展趨勢，顯然JESD204有望成為數(shù)字接口至轉(zhuǎn)換器的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。每個修訂版都滿足了對于改進(jìn)其實(shí)施的要求，并允許標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)以適應(yīng)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的改變及由此帶來的新需求。隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，以及對轉(zhuǎn)換器性能要求的提高，JESD204標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該可以進(jìn)一步調(diào)整和演進(jìn)，滿足新設(shè)計(jì)的需要。

參考文獻(xiàn)

JEDEC標(biāo)準(zhǔn)：JESD204（2006年4月）。JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會，網(wǎng)址www.jedec.org
JEDEC標(biāo)準(zhǔn)：JESD204A（2008年4月）。JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會，網(wǎng)址www.jedec.org
JEDEC標(biāo)準(zhǔn)：JESD204B（2011年7月）。JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會。網(wǎng)址www.jedec.org

作者簡介

Jonathan Harris是ADI公司高速轉(zhuǎn)換器部門（位于北卡羅萊納州格林斯博羅）的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他擔(dān)任支持射頻行業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用工程師已超過7年。Jonathan在奧本大學(xué)和北卡羅來納大學(xué)夏洛特分校分別獲得電子工程碩士（MSEE）和電子工程學(xué)士（BSEE）學(xué)位。聯(lián)系方式：jonathan.harris@analog.com