CMOS數字輸出驅動器

 

在采樣速率低於200 MSPS的ADC中，CMOS是很常見的數字輸出。典型的CMOS驅動器由兩個晶體管（一個NMOS和一個PMOS）組成，連接在電源(VDD)和地之間，如圖1a所示。這種結構會導致輸出反轉，因此
，可以采用圖1b所示的背對背結構作為替代方法
，避免輸出反轉。輸出為低阻抗時
，CMOS輸出驅動器的輸入為高阻抗。在驅動器的輸入端，由於柵極與導電材料之間經柵極氧化層隔離，兩個CMOS晶體管的柵極阻抗極高。輸入端阻抗範圍可達kΩ至MΩ級。在驅動器輸出端
，阻抗由漏電流ID控製
，該電流通常較小。此時，阻抗通常小於幾百Ω。CMOS的電平擺幅大約在VDD和地之間，因此可能會很大，具體取決於VDD幅度。

 

圖1.典型CMOS數字輸出驅動器

 

由於輸入阻抗較高，輸出阻抗較低，CMOS的優勢之一在於通常可以用一個輸出驅動多個CMOS輸入。CMOS的另一個優勢是低靜態電流。唯一出現較大電流的情況是CMOS驅動器上發生切換時。無論驅動器處於低電平（拉至地）還是高電平（拉至VDD）

，驅動器中的電流都極小。但是，當驅動器從低電平切換到高電平或從高電平切換到低電平時
，VDD與地之間會暫時出現低阻抗路徑。該瞬態電流是轉換器速度超過200 MSPS時
，輸出驅動器采用其他技術的主要原因。

 

轉換器的每一位也都需要CMOS驅動器。如果轉換器有14位，就需要14個CMOS輸出驅動器來傳輸這些位。一般會有一個以上的轉換器置於單個封裝中，常見為八個。采用CMOS技術時，意味著數據輸出需要高達112個(ge)輸(shu)出(chu)引(yin)腳(jiao)。從(cong)封(feng)裝(zhuang)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)，這(zhe)不(bu)太(tai)可(ke)能(neng)實(shi)現(xian)


，而(er)且(qie)還(hai)會(hui)產(chan)生(sheng)高(gao)功(gong)耗(hao)
，並(bing)使(shi)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局(ju)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)複(fu)雜(za)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)，我(wo)們(men)引(yin)入(ru)了(le)使(shi)用(yong)LVDS的接口。

 

LVDS數字輸出驅動器

 

與CMOS技術相比
，LVDS具備一些明顯優勢。它可以在低電壓信號（約350 mV）下工作，並且為差分而非單端。低壓擺幅具有較快的切換時間
，可以減少EMI問題。差分這一特性可以帶來共模抑製的好處。這意味著耦合到信號的噪聲對兩個信號路徑均為共模
，大部分都可被差分接收器消除。LVDS中的阻抗必須更加嚴格控製。在LVDS中，負載阻抗應約為100 Ω，通常通過LVDS接收器上的並聯端接電阻實現。此外
，LVDS信號還應采用受控阻抗傳輸線進行傳輸。差分阻抗保持在100 Ω時，所需的單端阻抗為50 Ω。圖2所示為典型LVDS輸出驅動器。

 

圖2.典型LVDS輸出驅動器

 

如圖2中LVDS輸出驅動器拓撲結構所示，電路工作時輸出電源會產生固定的直流負載電流。這可以避免輸出邏輯狀態躍遷時典型CMOS輸出驅動器中出現的電流尖峰。電路中的標稱源電流/吸電流設為3.5 mA
，使得端接電阻100 Ω時典型輸出電壓擺幅為350 mV。電路的共模電平通常設為1.2 V，兼容3.3 V、2.5V和1.8 V電源電壓。

 

有兩種書麵標準可用來定義LVDS接口。最常用的標準是ANSI/TIA/EIA-644規格，標題為《低壓差分信號(LVDS)接口電路的電氣特性》。另一種是IEEE標準1596.3，標題為《可擴展一致性接口(SCI)的低壓差分信號IEEE標準》。

 

LVDS需要特別注意信號路由的物理布局，但在采樣速率達到200 MSPS或更高時可以為轉換器提供許多優勢。LVDS的恒定電流使得可以支持許多輸出，無需CMOS要求的大量電流吸取。此外
，LVDS還能以雙倍數據速率(DDR)模式工作，其中兩個數據位可以通過同一個LVDS輸出驅動器。與CMOS相比
，可以減少一半的引腳數。此外，還降低了等量數據輸出的功耗。對轉換器數據輸出而言，LVDS確實相比CMOS具有諸多優勢，但也和CMOS一樣存在一些限製。隨著轉換器分辨率的增加，LVDS接口所需的數據輸出量會變得更難針對PCB布局進行管理。另外
，轉換器的采樣率最終會使接口所需的數據速率超出LVDS的能力。

 

CML輸出驅動器

 

轉換器數字輸出接口的最新趨勢是使用具有電流模式邏輯(CML)輸出驅動器的串行接口。通常，高分辨率（≥14位）、高速(≥200 Msps)和需要小型封裝與低功耗的轉換器會使用這些類型的驅動器。CML輸出驅動器用在JESD204接口，這種接口目前用於最新轉換器。采用具有JESD204接口的CML驅動器後，轉換器輸出端的數據速率可達12 Gbps（當前版本JESD204B規格）。此外
，需要的輸出引腳數也會大幅減少。時鍾內置於8b/10b編碼數據流，因此無需傳輸獨立時鍾信號。數據輸出引腳數量也得以減少，最少隻需兩個。隨著轉換器的分辨率、速度和通道數的增加
，數據輸出引腳數可能會相應調整
，以滿足所需的更高吞吐量。但是
，由於使用CML驅動器采用的接口通常是串行接口，引腳數的增加與CMOS或LVDS相比要少得多（在CMOS或LVDS中傳輸的數據是並行數據，需要的引腳數多得多）。

 

CML驅動器用於串行數據接口，因此，所需引腳數要少得多。圖3所示為用於具有JESD204接口或類似數據輸出的轉換器的典型CML驅動器。該圖顯示了CML驅(qu)動(dong)器(qi)典(dian)型(xing)架(jia)構(gou)的(de)一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)。其(qi)顯(xian)示(shi)可(ke)選(xuan)源(yuan)終(zhong)端(duan)電(dian)阻(zu)和(he)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)。電(dian)路(lu)的(de)輸(shu)入(ru)可(ke)將(jiang)開(kai)關(guan)驅(qu)動(dong)至(zhi)電(dian)流(liu)源(yuan)，電(dian)流(liu)源(yuan)則(ze)將(jiang)適(shi)當(dang)的(de)邏(luo)輯(ji)值(zhi)驅(qu)動(dong)至(zhi)兩(liang)個(ge)輸(shu)出(chu)端(duan)。

 

圖3.典型CML輸出驅動器

 

CML驅動器類似於LVDS驅動器，以恒定電流模式工作。這也使得CML驅動器在功耗方麵具備一定優勢。在恒定電流模式下工作需要較少的輸出引腳，總功耗會降低。與LVDS一樣
，CML也需要負載端接、單端阻抗為50 Ω的受控阻抗傳輸線路，以及100 Ω的差分阻抗。驅動器本身也可能具有如圖3所示的端接，對因高帶寬信號靈敏度引起的信號反射有所幫助。對采用JESD204標準的轉換器而言，差分和共模電平均存在不同規格，具體取決於工作速度。工作速度高達6.375 Gbps，差分電平標稱值為800 mV
，共模電平約為1.0 V。在高於6.375 Gbps且低於12.5 Gbps的速度下工作時
，差分電平額定值為400 mV，共模電平仍約為1.0 V。隨著轉換器速度和分辨率增加

，CML輸出需要合適類型的驅動器提供必要速度，以滿足各種應用中轉換器的技術需求。

 

數字時序——需要注意的事項

 

每種數字輸出驅動器都有時序關係
，需要密切監控。由於CMOS和LVDS有you多duo種zhong數shu據ju輸shu出chu，因yin此ci必bi須xu注zhu意yi信xin號hao的de路lu由you路lu徑jing，以yi盡jin量liang減jian小xiao偏pian斜xie。如ru果guo差cha別bie過guo大da，可ke能neng就jiu無wu法fa在zai接jie收shou器qi上shang實shi現xian合he適shi的de時shi序xu。此ci外wai

，時shi鍾zhong信xin號hao也ye需xu要yao通tong過guo路lu由you傳chuan輸shu，並bing與yu數shu據ju輸shu出chu保bao持chi一yi致zhi。時shi鍾zhong輸shu出chu和he數shu據ju輸shu出chu之zhi間jian的de路lu由you路lu徑jing也ye必bi須xu格ge外wai注zhu意yi，以yi確que保bao偏pian斜xie不bu會hui太tai大da。

 

在采用JESD204接口的CML中zhong，還hai必bi須xu注zhu意yi數shu字zi輸shu出chu之zhi間jian的de路lu由you路lu徑jing。需xu要yao管guan理li的de數shu據ju輸shu出chu大da大da減jian少shao，因yin此ci，這zhe一yi任ren務wu比bi較jiao容rong易yi完wan成cheng，但dan也ye不bu能neng完wan全quan忽hu略lve。這zhe種zhong情qing況kuang下xia，由you於yu時shi鍾zhong內nei置zhi於yu數shu據ju中zhong，因yin此ci無wu需xu擔dan心xin數shu據ju輸shu出chu和he時shi鍾zhong輸shu出chu之zhi間jian的de時shi序xu偏pian斜xie。但dan是shi，必bi須xu注zhu意yi，接jie收shou器qi中zhong要yao有you合he適shi的de時shi鍾zhong和he數shu據ju恢hui複fu(CDR)電路。

 

除了偏斜之外，還必須關注CMOS和LVDS的de建jian立li和he保bao持chi時shi間jian。數shu據ju輸shu出chu必bi須xu在zai時shi鍾zhong邊bian沿yan躍yue遷qian之zhi前qian的de充chong足zu時shi間jian內nei驅qu動dong到dao適shi當dang的de邏luo輯ji狀zhuang態tai，並bing且qie必bi須xu在zai時shi鍾zhong邊bian沿yan躍yue遷qian之zhi後hou以yi這zhe種zhong邏luo輯ji狀zhuang態tai維wei持chi充chong足zu時shi間jian。這zhe可ke能neng會hui受shou到dao數shu據ju輸shu出chu和he時shi鍾zhong輸shu出chu之zhi間jian偏pian斜xie的de影ying響xiang
，因yin此ci
，保bao持chi良liang好hao的de時shi序xu關guan係xi非fei常chang重zhong要yao。由you於yu具ju有you較jiao低di信xin號hao擺bai幅fu和he差cha分fen信xin號hao，LVDS相比CMOS具有一定優勢。和CMOS驅動器一樣切換邏輯狀態時，LVDSshuchuqudongqiwuxujiangzheyangdedaxinhaoqudongzhigezhongbutongshuchu
，yebuhuicongdianyuanxiqudaliangdianliu。yinci，tazaiqiehuanluojizhuangtaishibutaikenenghuichuxianwenti。ruguoyouxuduoCMOS驅動器同時切換，電源電壓可能會下降，將正確的邏輯值驅動到接收器時會出現問題。LVDS驅動器會保持在恒定電流水平，這一特別問題就不會發生。此外，由於采用了差分信號，LVDS驅動器本身對共模噪聲的耐受能力也較強。CML驅動器具有和LVDS同樣的優勢。這些驅動器也有恒定水平的電流，但和LVDS不同的是
，由於數據為串行，所需電流值較小。此外
，由於也采用了差分信號，CML驅動器同樣對共模噪聲具有良好的耐受能力。

 

隨(sui)著(zhe)轉(zhuan)換(huan)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，速(su)度(du)和(he)分(fen)辨(bian)率(lv)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)，數(shu)字(zi)輸(shu)出(chu)驅(qu)動(dong)器(qi)也(ye)不(bu)斷(duan)演(yan)變(bian)發(fa)展(zhan)
，以(yi)滿(man)足(zu)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)需(xu)求(qiu)。隨(sui)著(zhe)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)的(de)數(shu)字(zi)輸(shu)出(chu)接(jie)口(kou)轉(zhuan)換(huan)為(wei)串(chuan)行(xing)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)，CML輸出越來越普及。但是

，目前的設計中仍然會用到CMOS和LVDS數字輸出。每種數字輸出都有最適合的應用。每種輸出都麵臨著挑戰，必須考慮到一些設計問題
，且各有所長。在采樣速度小於200 Msps的轉換器中，CMOS仍然是一種合適的技術。當采樣速率增加到200 MSPS以上時
，與CMOS相比，LVDS在許多應用中更加可行。為了進一步增加效率、降低功耗、減小封裝尺寸
，CML驅動器可與JESD204之類的串行數據接口配合使用。

 

參考文獻

 

Bloomingdale
、Cindy和Gary Hendrickson。AN-586應用筆記：高速模數轉換器的LVDS數據輸出。ADI公司，2002年。

JEDEC標準：JESD204（2006年4月）。JEDEC固態技術協會。

JEDEC標準：JESD204A（2008年4月）。JEDEC固態技術協會。

JEDEC標準：JESD204B（2011年7月）。JEDEC固態技術協會。

 

作者簡介

 

Jonathan Harris是ADI公司高速轉換器部門（位於北卡羅萊納州格林斯博羅）的產品應用工程師。他在射頻行業從事產品支持工作超過7年。Jonathan擁有奧本大學電子工程碩士學位和北卡羅來納大學夏洛特分校電子工程學士學位。

 

 

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