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為逐次逼近型ADC 設(shè)計(jì)可靠的數(shù)字接口

發(fā)布時(shí)間：2015-03-14 責(zé)任編輯：susan

【導(dǎo)讀】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(yùn)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(jī)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(jì)技術(shù)，包括數(shù)字電源電平和序列、啟動(dòng)期間的I/O 狀態(tài)、接口時(shí)序、信號(hào)質(zhì)量以及數(shù)字活動(dòng)導(dǎo)致的誤差。
 
數(shù)字I/O 電源電平和序列

M多數(shù)SAR ADC 都提供獨(dú)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(jī)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(gè)電源的ADC 可能擁有明確的上電序列。應(yīng)用筆記 AN-932《電源時(shí)序控制》為這些ADC 電源的設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)復(fù)位、待機(jī)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(dòng)時(shí)的狀態(tài)符合預(yù)期。例如，一個(gè)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(yùn)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(shí)，主機(jī)cPLD 拉高CNVST。這可能使 AD7367 進(jìn)入未知狀態(tài)，因此，在電源完全建立之前，主機(jī)應(yīng)使 CNVST 保持低電平。
 
圖1. 在電源上升時(shí)拉高 CNVST 可能導(dǎo)致未知狀態(tài)。
 
數(shù)字接口時(shí)序
 
轉(zhuǎn)換完成之后，主機(jī)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(shí)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(shí)序規(guī)范，尤其是ADC 和主機(jī)的建立和保持時(shí)間。最大比特率取決于整個(gè)循環(huán)，而不僅僅是最小額定時(shí)鐘周期。圖2 和下列等式展示了如何計(jì)算建立和保持時(shí)間裕量。主機(jī)把時(shí)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(shí)序裕量
 
tCYCLE = tJITTER + tSETUP + tPROP_DATA + tPROP_CLK + tDRV + tMARGIN
 
tCYCLE : 時(shí)鐘周期 = 1/fCLOCK
 
tJITTER: 時(shí)鐘抖動(dòng)
 
tSETUP: 主機(jī)建立時(shí)間
 
tHOLD: 主機(jī)保持時(shí)間
 
tPROP_DATA: 從ADC 到主機(jī)的傳輸線路的數(shù)據(jù)傳播延遲
 
tPROP_CLK: 從主機(jī)到ADC 的傳輸線路的數(shù)據(jù)傳播延遲
 
tDRV: 時(shí)鐘上升/下降沿后的數(shù)據(jù)輸出有效時(shí)間
 
tMARGIN: Margin time, ≥ 裕量時(shí)間大于等于0 表示達(dá)到建立時(shí)間或保持時(shí)間要 求，小于0 表示未達(dá)到建立時(shí)間或保持時(shí)間要求。
主機(jī)建立時(shí)間裕量
 
tMARGIN_SETUP = tCYCLE, min – tJITTER – tSETUP – tPROP_DATA – tPROP_CLK – tDRV, MAX
建立時(shí)間等式以最大系統(tǒng)延遲項(xiàng)定義最小時(shí)鐘周期時(shí)間或最大頻率。要達(dá)到時(shí)序規(guī)格，必須大于等于0。提高周期（降低時(shí)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。
 
tMARGIN_HOLD = tPROP_DATA + tPROP_CLK + tDRV – tJITTER – tHOLD
保持時(shí)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(shí)間要求而出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。要達(dá)到時(shí)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(shí)鐘信號(hào)，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(shí)，要使用等式中的tEN 而非tDRV。
 
圖3. AD7980 3 線 CS 模式下的SPI 時(shí)序。
 
因此，除了最大時(shí)鐘速率以外，數(shù)字接口的最大工作速率也取決于建立時(shí)間、保持時(shí)間、數(shù)據(jù)輸出有效時(shí)間、傳播延遲和時(shí)鐘抖動(dòng)。
 
在圖4 中，DSP 主機(jī)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(hào)。DSP 的額定最小建立時(shí)間為5 ns，最小保持時(shí)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(jī)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(shí)間和保持時(shí)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(hào)質(zhì)量
 
數(shù)字信號(hào)完整性（包括時(shí)序和信號(hào)質(zhì)量）確保：在額定電壓下接收信號(hào)；不相互干擾；不損壞其他器件；不污染電磁頻譜。信號(hào)質(zhì)量由多個(gè)項(xiàng)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(hào)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(hào)沿著走線傳播時(shí)，每個(gè)接口處的瞬時(shí)阻抗都不相同。部分信號(hào)會(huì)反射回去，部分信號(hào)會(huì)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(shí)鐘邊沿
 
過沖和欠沖可能損壞輸入保護(hù)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。
 
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?/div>
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(dòng)電流和壓擺率
針對走線特性阻抗的計(jì)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(jì)算起來非常簡單，只需選擇傳輸線路型號(hào)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(shí)鐘分布、芯片封裝類型、電路板堆疊、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和端接策略。也可檢測串行接口時(shí)序限制以便為定位和布局提供指導(dǎo)。后仿真可驗(yàn)證 設(shè)計(jì)是否符合所有指導(dǎo)方針和限制的要求，同時(shí)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(gè)驅(qū)動(dòng)器通過一條12 英寸的微帶線路連接SCLK1，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器通過一個(gè)與微帶串聯(lián)的43 Ω 電阻連接SCLK2。
 
圖7. 驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)的上升時(shí)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?/div>
減小信號(hào)壓擺率
數(shù)字活動(dòng)導(dǎo)致的性能下降
數(shù)字活動(dòng)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(shí)鐘抖動(dòng)和數(shù)字信號(hào)干擾而減小。
 
孔徑或采樣時(shí)鐘抖動(dòng)設(shè)定SNR 限值，尤其是對高頻輸入信號(hào)。系統(tǒng)抖動(dòng)有兩個(gè)來源：來自片內(nèi)采樣保持電路的孔徑抖動(dòng)（內(nèi)部抖動(dòng)），以及采樣時(shí)鐘上的抖動(dòng)（外部抖動(dòng)）。孔徑抖動(dòng)為轉(zhuǎn)換間的 采樣時(shí)間變化，為ADC 的函數(shù)。采樣時(shí)鐘抖動(dòng)通常為主要誤差源，但兩個(gè)源都會(huì)導(dǎo)致模擬輸入采樣時(shí)間變化，如圖9所示。它們的影響難以區(qū)分。
 
總抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生誤差電壓，ADC 總SNR 的限制因素為
 
 
其中，f 為模擬輸入頻率，tJ 為總時(shí)鐘抖動(dòng)。
例如，當(dāng)模擬輸入為10 kHz，總抖動(dòng)為1 ns 時(shí)，SNR 限值為84 dB。
 
圖9. 采樣時(shí)鐘抖動(dòng)導(dǎo)致的誤差電
 
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(dòng)很敏感，即使電源適當(dāng)去耦和隔離時(shí)。突發(fā)時(shí)鐘往往優(yōu)于連續(xù)時(shí)鐘。數(shù)據(jù)手冊通常會(huì)列出接口不應(yīng)活動(dòng)的安靜時(shí)間。在較高吞吐速率條件下，可能難以減少這些時(shí)間內(nèi)的數(shù)字活動(dòng)，通常為采樣時(shí)刻及出現(xiàn)關(guān)鍵位判斷點(diǎn)時(shí)。
 
結(jié)論
 
密切注意數(shù)字活動(dòng)，確保SAR ADC 轉(zhuǎn)換有效。數(shù)字活動(dòng)導(dǎo)致的誤差可能使SAR ADC 進(jìn)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(jì)師排查根本原因，同時(shí)還能提供解決方案。
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