ADC/DAC-Komponenten mit einer JESD204-Schnittstelle

Erstellt: Dezember 1, 2022
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Viele einfachere Systeme werden eine gewisse Mixed-Signal-Fähigkeit beinhalten, die manchmal in den Host-Controller über einen ADC integriert ist. Für genauere oder schnellere Abtastung wird oft ein externer ADC verwendet, einschließlich in Systemen, die eine sehr schnelle Abtastung oder Synthese mit GSps-Betriebsraten erfordern. Was passiert, wenn diese Fähigkeiten über mehrere Datenwandler implementiert werden müssen, die alle möglicherweise mit sehr schnellen Abtastraten arbeiten und mit einem Referenzoszillator synchronisiert sind?

Für fortgeschrittene Mixed-Signal-Systeme mit mehreren Datenwandlern können wir uns nicht auf einfachere quellsynchrone Busse oder generische serielle Schnittstellen verlassen. Glücklicherweise hat JEDEC eine spezielle Schnittstelle genau für diese Art von Situation entwickelt: die JESD204-Schnittstelle. Diese Schnittstelle soll die Routing-Schwierigkeiten erleichtern, die mit der Verwendung von LVDS-Leitungen verbunden sind, wenn eine Synchronisation über mehrere Datenwandler hinweg erzwungen wird, ohne die Abtastraten auf niedrige Werte zu beschränken.

Dieser Artikel wird die wichtigen Designanforderungen skizzieren, die in der JESD204-Schnittstelle für die Verwendung mit mehreren ADCs und/oder DACs, die mit schnellen Abtastraten arbeiten, vorhanden sind. Der Schlüssel, der diese Art von System zusammenhält, ist der Host-Controller, der ein FPGA mit der aus dem Anbieter-IP instanziierten Schnittstelle ist.

Über die JESD204-Schnittstelle

ADCs und DACs können bei Bedarf mit sehr hohen Abtastraten betrieben werden, leicht in den GSps-Bereich (Giga-Samples pro Sekunde) reichend. Dies ist eine sehr hohe Abtastrate, die geeignet ist, um RF-Signale (mit einem ADC) zu erfassen oder Wellenformen mit RF-Wiederholraten (mit einem DAC) zu erzeugen. Wenn ein System mit einem einzelnen Datenwandler arbeitet, kann eine schnelle serielle Schnittstelle verwendet werden, um Daten an/von einem System-Host-Controller zu senden/empfangen. Wenn jedoch mehrere Datenwandler in einem System vorhanden sind, ist oft eine Synchronisation erforderlich, und dies ist schwierig, mit einer seriellen Schnittstelle wie LVDS durchzusetzen.

Hier kommt die JESD204-Schnittstelle ins Spiel. Diese standardisierte Schnittstelle, veröffentlicht von JEDEC, wurde entwickelt, um die Verwendung von LVDS-Verbindungen zwischen Datenwandlern sowie zwischen jedem Datenwandler und einem System-Host zu ersetzen. Die neueste Revision des Standards (Rev C oder JESD204C) definiert ein serielles Protokoll, das verwendet werden kann, um mehrere ADCs und/oder DACs, die mit einer hohen Abtastrate arbeiten, zu synchronisieren. Primäre Funktionen, die synchronisiert werden können, sind Signalabtastung, Synthese und Timing über mehrere Datenwandler hinweg.

Da die JESD204-Schnittstelle als Ersatz für LVDS mit ADCs/DACs entwickelt wurde, lohnt es sich, die Implementierung dieser beiden Schnittstellen über mehrere Datenwandler zu vergleichen:

ADC/DAC-Komponenten, die die JESD204-Schnittstelle unterstützen, werden den I/O-Block direkt in den Die integriert haben, während der System-Host-Controller die Schnittstelle im FPGA-Verbindungsstoff instanziiert haben wird. Um die Systemsynchronisation zu gewährleisten, werden ADCs/DACs mit einer JESD204-Schnittstelle dedizierte SYNC/SYSREF-Pins enthalten, um das Auslösen des Takts von einem JESD204C- oder JESD204B-Gerät zu unterstützen.

Vorteile von JESD204

Es mag aus der obigen Tabelle nicht offensichtlich sein, aber der Hauptvorteil der JESD204-Schnittstelle für mehrere Datenwandler ist ihre Timing-Methode. Die Topologie eines JESD204-konformen Systems beinhaltet eine synchrone Abtastung über alle Geräte durch seine Referenzoszillatorverteilung, wie im folgenden Blockdiagramm dargestellt. Dies passt alle Datenwandler an denselben Takt wie den Host-Controller an, und somit wird die Abtastung/Synthese zum selben Takt wie der Systemhost getaktet.

Die Abtastung/Synthese wird in einzelnen Datenwandlern mit einem SYNC-Pin ausgelöst, der dann Daten dazu bringt, von einzelnen Datenwandlern zum Host-Controller zu strömen. Die Datenströme haben ihre eigenen eingebetteten Uhren, sodass die Schnittstelle automatisch die beiden Datenströme deskewen kann. Dies ist der Grund, warum die differentiellen Datenleitungen von jedem Datenwandler mit einer JESD204-Schnittstelle keine Längenanpassung benötigen. Technisch gesehen könnte dieselbe Art von Deskew-Funktion zu einer Reihe von kaskadierten ADCs/DACs hinzugefügt werden, die LVDS verwenden, aber dies würde erfordern, den Deskew in Software oder in Logik zu berechnen.

Wenn Sie sich die Uhr/Sync-Verteilung zwischen der Uhrquelle, dem Host-Controller und den Datenwandlern ansehen, wird es ein gewisses erlaubtes Skew-Budget für die gegebene JESD204-Schnittstelle geben, die im Hauptprozessor instanziiert ist. Dieses Skew-Mismatch-Budget zwischen den längsten und kürzesten Spuren in der Schnittstelle muss innerhalb eines maximalen Skew-Wertes liegen, der durch das Timing-Schema der Schnittstelle kompensiert werden kann. Wenn innerhalb des Skew-Budgets gearbeitet wird, kann die Schnittstelle die Unstimmigkeiten zwischen den resultierenden eingehenden Datenströmen auf den DATENkanälen erkennen, und der Deskew kann in Logik kompensiert werden. Dies ergibt den wahren Phasenunterschied zwischen den abgetasteten Signalen.

Mehrere JESD204 ADCs/DACs vs. Mehrkanalkomponenten

Wenn Sie mit ADCs/DACs vertraut sind, dann sollten Sie wissen, dass diese Komponenten oft mehrere Ein-/Ausgangskanäle für die Signalakquisition/-generierung haben. Da dies der Fall ist, ist es fair, die Frage zu stellen: Was ist der Vorteil der Verwendung separater ADCs mit einer Schnittstelle wie JESD204 im Vergleich zur Verwendung eines einzigen Mehrkanal-ADC/DAC?

Einige der Herausforderungen bei der Verwendung eines Mehrkanal-ADC im Vergleich zu einzelnen ADCs umfassen:

Kanal-zu-Kanal-Übersprechen
Abgleich von Verstärkung, Offset und Dynamikbereich
Verschränkte Abtastung
Leistungsverbrauch und Wärme

Die gleichen Herausforderungen können in einem Mehrkanal-DAC vorhanden sein. Diese Komponenten können Dutzende von Kanälen in einem einzigen Chip bieten, sodass sie sehr hohe Dichten ermöglichen, wenn erforderlich. Es gibt jedoch einige Bedingungen, die mit dieser Designfreiheit einhergehen. Beachten Sie, dass es Mehrkanal-ADCs gibt, die eine JESD204-Schnittstelle enthalten. Die Vorteile jedes Ansatzes sind unten dargestellt.

Grundsätzlich bietet ein Mehrkanal-ADC mit einem einzigen steuerbaren Referenzwert möglicherweise nicht die Flexibilität, verschiedene Arten von Signalen in Bezug auf Offset, Rauschniveau (Auflösung, Dynamikbereich und/oder Verstärkung) zu erfassen oder zu generieren. Mit separaten ADCs können die Abtast-/Synthese-Eigenschaften unabhängig eingestellt werden, obwohl dies die Anzahl der Komponenten für jede Schnittstelle erhöht. Daher ist der Hauptkompromiss eine geringere Dichte. Diese geringere Dichte ist jedoch erforderlich, um das Übersprechen zu reduzieren.

Die wichtige Überlegung ergibt sich aus dem Übersprechen als Funktion der Frequenz. Bei RF-Frequenzen wird das Übersprechen zwischen den Kanälen intensiver sein als bei niedrigeren Frequenzen, und ein solches Übersprechen wird sich in einem ADC, der gleichzeitiges Abtasten verwendet, über die Kanäle hinweg widerspiegeln. Die Lösung wäre, abwechselndes Abtasten zu verwenden, aber jetzt verliert man vollständig die Fähigkeit, Phasenverschiebungen zwischen den Kanälen genau zu erkennen, weil sie nicht gleichzeitig abgetastet werden. Dies sollte auch den Vorteil einer JESD204-kompatiblen Schnittstelle für mehrere Datenwandler verdeutlichen: genaue Phasenbestimmung bei RF-Frequenzen.

Beispiel JESD204-kompatible Komponenten

Auf dem Markt sind viele Komponenten verfügbar, die schnelle Abtastraten mit einer JESD204B- oder JESD204C-Schnittstelle bieten. Neuere Komponenten mit einer JESD204C-Schnittstelle kommen weiterhin auf den Markt, und einige Beispiele dafür werden unten vorgestellt.

Analog Devices AD9207BBPZ-6G

Der AD9207BBPZ-6G von Analog Devices ist ein dualer 12-Bit-ADC mit einer maximalen Abtastrate von 6 GSps. Die Datenstreaming-Schnittstelle in dieser Komponente ist wählbar zwischen JESD204B oder JESD204C, wobei die maximale Datenstreaming-Rate die standardkonforme Maxima von 15,5 Gbps (JESD204B) oder 24,75 Gbps (JESD204C) über 8 Lanes erreicht. Um das Eingangs-Common-Mode-Rauschen zu kontrollieren, verwendet diese Doppelkomponente eine 1,475 Vpp differentielle Eingangsschnittstelle mit einer Hochfrequenz-Abtastuhr, die mit einem On-Chip-PLL erzeugt wird. Die Abtastauflösung ist ebenfalls wählbar zwischen 8, 12, 16 und 24 Bits, abhängig vom JESD204B- oder dem JESD204C-Modus. Eine neuere Version dieser Komponente, der AD9213BBPZ-6G, bietet viele der gleichen Fähigkeiten, aber mit einer Abtastrate von bis zu 10,25 GSps.

Texas Instruments ADC12QJ1600AAVQ1

Der ADC12QJ1600AAVQ1 von Texas Instruments ist ein schneller ADC mit einer maximalen Abtastrate von 1,6 GSps mit nicht-interleaved Architektur. Die Komponente ist ein Vierkanal-ADC mit JESD204C-Schnittstelle, die 2 bis 8 (Quad/Dual-Kanal) oder 1 bis 4 (Einkanal) Serdes-Lanes bei einer maximalen Datenrate von 17,16 Gbps (64B/66B oder 8B/10B-Kodierung) unterstützt. Die volle Leistung -3 dB Eingangsbandbreite beträgt 6 GHz, was eine flache Frequenzantwort für FMCW-Lidar oder andere pulsaufnahmebasierte Systeme bietet. Diese Eingangsbandbreite eignet sich auch für direktes RF-Abtasten in den L- und S-Bändern.

Texas Instruments DAC38RF86IAAVR

Der DAC38RF86IAAVR von Texas Instruments ist ein JESD204-kompatibler DAC mit 14-Bit-Auflösung und einer maximalen Abtastrate von 9 GSps. Die Komponente bietet eine direkte Synthese von Basisbandsignalen oder Rundfunksignalen für den Einsatz in Anwendungen wie Radar oder drahtlose Kommunikation. Das Gerät bietet einen einseitigen Ausgang mit einem integrierten Balun. Die interne Taktung wird mit einem integrierten NCO erreicht, was die Verwendung eines Referenzoszillators mit niedrigerer Frequenz ermöglicht. Um die Implementierung einer JESD204-Schnittstelle für diese Komponenten zu unterstützen, stellt Texas Instruments IP für die Verwendung in der FPGA-Entwicklung bereit.

Andere Komponenten zur Unterstützung von Datenwandlern

Systeme, die Datenwandler mit sehr hohen Frequenzen verwenden, sind hochspezialisiert und sie können viele andere Komponenten in einer Signalkette benötigen, um eine genaue Signalerfassung zu gewährleisten. Diese Komponenten umfassen digitale Schnittstellen mit analogen Schnittstellen, sodass die in der PCB-Layoutpraxis verwendeten Methoden eine Isolierung zwischen diesen Platinenabschnitten erfordern, und dies motiviert manchmal die Verwendung von Filtern oder zusätzlichen Serienabschlüssen auf einigen Netzen.

Einige der anderen Komponenten, die Designer zur Unterstützung der kaskadierten Signalerfassung/-synthese benötigen könnten, umfassen:

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