Komponenty ADC/DAC z interfejsem JESD204

Utworzono: grudzień 1, 2022
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Wiele prostszych systemów będzie zawierać pewne możliwości sygnałów mieszanych, które czasami są wbudowane w kontroler hosta przez ADC. Dla bardziej dokładnych lub szybszych próbkowań często używany jest zewnętrzny ADC, w tym w systemach wymagających bardzo szybkiego próbkowania lub syntezy z prędkościami działania GSps. Co się dzieje, gdy te możliwości muszą być wdrożone na wielu przetwornikach danych, z których wszystkie mogą działać z bardzo szybkimi prędkościami próbkowania i być zsynchronizowane z oscylatorem referencyjnym?

Dla zaawansowanych systemów sygnałów mieszanych z wieloma przetwornikami danych nie możemy polegać na prostszych magistralach synchronicznych źródłowo lub ogólnych interfejsach szeregowych. Na szczęście JEDEC opracował specjalny interfejs właśnie na tego typu sytuacje: interfejs JESD204. Interfejs ten ma na celu ułatwienie trudności związanych z trasowaniem przy użyciu linii LVDS podczas wymuszania synchronizacji między wieloma przetwornikami danych bez ograniczania prędkości próbkowania do niskich wartości.

Ten artykuł przedstawi ważne wymagania projektowe obecne w interfejsie JESD204 do użytku z wieloma ADC i/lub DAC działającymi z szybkimi prędkościami próbkowania. Kluczem, który łączy ten typ systemu, jest kontroler hosta, którym jest FPGA z interfejsem zaimplementowanym z IP dostawcy.

O interfejsie JESD204

ADC i DAC mogą działać z bardzo wysokimi prędkościami próbkowania, jeśli jest to potrzebne, łatwo osiągając zakres GSps (giga-próbek na sekundę). Jest to bardzo wysoka prędkość próbkowania, która jest odpowiednia do akwizycji sygnałów RF (za pomocą ADC) lub generowania przebiegów z częstotliwościami powtarzania RF (za pomocą DAC). Gdy system działa z pojedynczym przetwornikiem danych, do wysyłania/odbierania danych do/z kontrolera systemu hosta można użyć szybkiego interfejsu szeregowego. Jednak, gdy w systemie obecnych jest wiele przetworników danych, często potrzebna jest synchronizacja, a jej wymuszenie na interfejsie szeregowym, takim jak LVDS, jest trudne.

To tutaj wchodzi w grę interfejs JESD204. Ten znormalizowany interfejs, opublikowany przez JEDEC, został opracowany, aby zastąpić użycie łączy LVDS między przetwornikami danych, jak również między każdym przetwornikiem danych a hostem systemu. Najnowsza rewizja standardu (Rev C, lub JESD204C) definiuje protokół szeregowy, który może być używany do synchronizacji wielu ADC i/lub DAC działających z wysoką prędkością próbkowania. Główne funkcje, które mogą być zsynchronizowane, to próbkowanie sygnału, synteza i czasowanie między wieloma przetwornikami danych.

Ponieważ interfejs JESD204 został opracowany jako zamiennik dla LVDS z ADC/DAC, warto porównać implementację tych dwóch interfejsów na wielu przetwornikach danych:

Komponenty ADC/DAC obsługujące interfejs JESD204 będą miały blok I/O wbudowany bezpośrednio w matrycę, podczas gdy kontroler hosta systemu będzie miał interfejs zaimplementowany w tkaninie połączeń FPGA. Aby zapewnić synchronizację systemu, ADC/DAC z interfejsem JESD204 będą zawierać dedykowane piny SYNC/SYSREF do obsługi wyzwalania zegara z urządzenia JESD204C lub JESD204B, odpowiednio.

Zalety JESD204

Może to nie być oczywiste z powyższej tabeli, ale główną zaletą interfejsu JESD204 dla wielu przetworników danych jest jego metoda synchronizacji czasu. Topologia systemu zgodnego z JESD204 zakłada synchroniczne próbkowanie we wszystkich urządzeniach poprzez dystrybucję oscylatora referencyjnego, jak przedstawiono na poniższym schemacie blokowym. Dzięki temu wszystkie przetworniki danych są zsynchronizowane z tym samym zegarem co kontroler hosta, a więc próbkowanie/synteza jest synchronizowana z tym samym zegarem co system hosta.

Próbkowanie/synteza jest inicjowane w poszczególnych przetwornikach danych za pomocą pinu SYNC, który następnie przesyła dane do strumieniowania z poszczególnych przetworników danych do kontrolera hosta. Strumienie danych mają własne wbudowane zegary, więc interfejs może automatycznie korygować przesunięcia między dwoma strumieniami danych. To jest powód, dla którego różnicowe linie danych z każdego przetwornika danych nie wymagają dopasowania długości przy użyciu interfejsu JESD204. Technicznie, taka sama funkcja korygowania przesunięć mogłaby być dodana do zestawu kaskadowych ADC/DAC, które używają LVDS, ale wymagałoby to obliczenia korygowania przesunięć w oprogramowaniu lub w logice.

Jeśli spojrzeć na dystrybucję zegara/synchronizacji między źródłem zegara, kontrolerem hosta i przetwornikami danych, będzie pewien dozwolony budżet przesunięć dla danego interfejsu JESD204 zaimplementowanego w głównym procesorze. Ten budżet niedopasowania przesunięć między najdłuższymi a najkrótszymi ścieżkami w interfejsie musi być w ramach pewnej maksymalnej wartości przesunięcia, która może być skompensowana przez schemat czasowy interfejsu. Jeśli działa w ramach budżetu przesunięć, interfejs będzie w stanie wykryć niedopasowania między wynikowymi strumieniami danych na kanałach DANYCH, a korygowanie przesunięć może być skompensowane w logice. To daje prawdziwą różnicę fazową między próbkowanymi sygnałami.

Wiele przetworników ADC/DAC JESD204 vs. Komponenty wielokanałowe

Jeśli znasz przetworniki ADC/DAC, to powinieneś wiedzieć, że te komponenty często mają wiele kanałów wejściowych/wyjściowych do akwizycji/generacji sygnałów. Biorąc to pod uwagę, można zadać pytanie: jaka jest zaleta używania oddzielnych przetworników ADC z interfejsem takim jak JESD204 w porównaniu z użyciem pojedynczego przetwornika ADC/DAC wielokanałowego?

Niektóre wyzwania występujące przy użyciu przetwornika ADC wielokanałowego w porównaniu z indywidualnymi ADC obejmują:

Przenikanie sygnałów między kanałami
Dopasowanie wzmocnienia, przesunięcia i zakresu dynamiki
Próbkowanie przeplatane
Dyssypacja mocy i ciepło

Te same wyzwania mogą występować w przetworniku DAC wielokanałowym. Te komponenty mogą oferować dziesiątki kanałów w jednym chipie, więc umożliwiają bardzo wysoką gęstość, gdy jest to wymagane. Jednakże, są pewne warunki związane z tą swobodą projektowania. Zauważ, że istnieją przetworniki ADC wielokanałowe, które zawierają interfejs JESD204. Zalety każdego podejścia są przedstawione poniżej.

W zasadzie wielokanałowy przetwornik ADC z pojedynczym regulowanym odniesieniem może nie oferować elastyczności potrzebnej do pozyskiwania lub generowania różnych typów sygnałów pod względem przesunięcia, poziomu szumów (rozdzielczości, zakresu dynamiki i/lub wzmocnienia. Przy użyciu oddzielnych przetworników ADC, charakterystyki próbkowania/syntezy mogą być ustawiane niezależnie, chociaż zwiększa to liczbę komponentów dla każdego interfejsu. Dlatego głównym kompromisem jest niższa gęstość. Jednak ta niższa gęstość jest wymagana, aby zredukować przeplot.

Ważne rozważanie wynika z przeplotu jako funkcji częstotliwości. Na częstotliwościach RF przeplot między kanałami będzie intensywniejszy niż na niższych częstotliwościach, i taki przeplot będzie odzwierciedlony między kanałami w przetworniku ADC, który używałby jednoczesnego próbkowania. Rozwiązaniem byłoby użycie próbkowania przeplatane, ale teraz całkowicie tracisz możliwość precyzyjnego wykrywania przesunięć fazowych między kanałami, ponieważ nie są one próbkowane jednocześnie. To powinno również zilustrować zaletę interfejsu kompatybilnego z JESD204 dla wielu przetworników danych: precyzyjne określenie fazy na częstotliwościach RF.

Przykładowe komponenty kompatybilne z JESD204

Na rynku dostępnych jest wiele komponentów oferujących szybkie szybkości próbkowania z interfejsem JESD204B lub JESD204C. Nowe komponenty z interfejsem JESD204C nadal pojawiają się na rynku, a poniżej zostaną przedstawione niektóre z nich.

Analog Devices AD9207BBPZ-6G

AD9207BBPZ-6G od Analog Devices to podwójny 12-bitowy przetwornik ADC z maksymalną szybkością próbkowania osiągającą 6 GSps. Interfejs strumieniowania danych w tym komponencie można wybrać między JESD204B lub JESD204C, z maksymalną szybkością strumieniowania danych osiągającą maksymalne standardy interfejsu 15,5 Gbps (JESD204B) lub 24,75 Gbps (JESD204C) agregowane przez 8 linii. Aby kontrolować wspólny szum wejściowy, ten podwójny komponent używa 1,475 Vpp różnicowego interfejsu wejściowego z wysokoczęstotliwościowym zegarem próbkowania generowanym z wbudowanym PLL. Rozdzielczość próbkowania jest również wybieralna między 8, 12, 16 i 24 bitami w zależności od trybu JESD204B lub JESD204C. Nowa wersja tego komponentu, AD9213BBPZ-6G, oferuje wiele tych samych możliwości, ale z szybkością próbkowania do 10,25 GSps.

Texas Instruments ADC12QJ1600AAVQ1

ADC12QJ1600AAVQ1 od Texas Instruments to szybki przetwornik ADC z maksymalną szybkością próbkowania osiągającą 1,6 GSps z architekturą nieprzeplataną. Komponent to czterokanałowy przetwornik ADC z interfejsem JESD204C obsługującym 2 do 8 (czterokanałowy/dwukanałowy) lub 1 do 4 (jednokanałowy) linie serdes przy maksymalnej szybkości transmisji danych 17,16 Gbps (kodowanie 64B/66B lub 8B/10B). Pełna moc -3 dB pasmo wejściowe wynosi 6 GHz, co zapewnia płaską charakterystykę częstotliwościową dla systemów opartych na odbiorze impulsów FMCW lidar lub innych. To pasmo wejściowe jest również odpowiednie do bezpośredniego próbkowania RF w pasmach L i S.

Texas Instruments DAC38RF86IAAVR

DAC38RF86IAAVR od Texas Instruments to DAC kompatybilny z JESD204 o rozdzielczości 14 bitów i maksymalnej częstotliwości próbkowania 9 GSps. Komponent oferuje bezpośrednią syntezę sygnałów bazowych lub sygnałów nadawczych do użytku w aplikacjach takich jak radar czy komunikacja bezprzewodowa. Urządzenie zapewnia jednostronne wyjście z zintegrowanym balunem. Wewnętrzne taktowanie jest realizowane za pomocą zintegrowanego NCO, co pozwala na użycie oscylatora referencyjnego o niższej częstotliwości. Aby ułatwić implementację interfejsu JESD204 dla tych komponentów, Texas Instruments dostarcza IP do wykorzystania w rozwoju FPGA.

Inne komponenty wspierające przetworniki danych

Systemy wykorzystujące przetworniki danych pracujące na bardzo wysokich częstotliwościach są wysoko wyspecjalizowane i mogą wymagać wielu innych komponentów w łańcuchu sygnałowym, aby zapewnić dokładne pozyskiwanie sygnału. Te komponenty obejmują interfejsy cyfrowe z interfejsami analogowymi, więc praktyki stosowane w układzie PCB wymagają izolacji między tymi sekcjami płyty, co czasami motywuje do stosowania filtrów lub nadmiernego zakończenia szeregów na niektórych sieciach.

Niektóre z innych komponentów, które projektanci mogą potrzebować do wspierania kaskadowego pozyskiwania/syntezy sygnałów, to:

Projektanci, którzy chcą znaleźć unikalne komponenty takie jak przetworniki ADC i DAC kompatybilne z JESD204, mogą znaleźć wszystkie swoje komponenty sygnałów mieszanych za pomocą zaawansowanego wyszukiwania i funkcji filtracji w Octopart. Tylko Octopart oferuje zaawansowane funkcje wyszukiwania i filtracji pomagające kupującym w znajdowaniu komponentów oraz aktualnych danych cenowych dystrybutorów, zapasów części i specyfikacji części. Zapoznaj się z naszą stroną poświęconą układom scalonym, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.