高速A/D转换器的数字输出生存法则在于合理选择和应用不同类型的输出

在现代电子系统中，模数转换器(ADC)作为模拟信号与数字信号之间的桥梁，其性能直接关系到整个系统的准确性和效率。随着技术的飞速发展，高速A/D转换器的应用越来越广泛，从通信、工业控制到医疗设备，无不体现着其重要性。然而，在选择高速A/D转换器时，数字数据输出类型成为了设计人员必须仔细考虑的关键因素。本文将深入探讨高速A/D转换器三种最常用的数字输出类型——互补金属氧化物半导体(CMOS)、低压差分信号(LVDS)和电流模式逻辑(CML)，并总结其生存法则。

一、CMOS输出：基础与局限

在采样速率小于200 Msps(百万次采样每秒)的ADC中，CMOS输出是非常常见的选择。CMOS输出驱动器通常由两个晶体管(一个NMOS和一个PMOS)组成，这种结构连接在电源(VDD)和地之间。这种简单的结构使得CMOS在低速应用中表现优异，具有低静态电流和高输入阻抗的优点。

然而，随着ADC采样速率的提升，CMOS输出的局限性逐渐显现。首先，CMOS驱动器在切换状态时会产生瞬态电流，这在高速应用中会导致功耗增加和电磁干扰(EMI)问题。其次，每个ADC位都需要一个独立的CMOS驱动器，对于高分辨率的ADC来说，这将显著增加输出引脚数和功耗。最后，由于CMOS输出的电平摆幅较大，随着VDD的升高，功耗和噪声问题也会进一步加剧。

二、LVDS输出：速度与效率的平衡

为了克服CMOS输出在高速应用中的不足，LVDS(低压差分信号)输出应运而生。LVDS能够在低电压信号(约350mV)下工作，并且采用差分信号传输，这使得它在高速应用中具有显著优势。

首先，LVDS的低压摆幅使得信号切换时间更快，从而减少了EMI问题。其次，差分信号传输带来了共模抑制的好处，能够有效消除耦合到信号路径上的噪声。此外，LVDS能够以双倍数据速率(DDR)模式工作，即两个数据位可以通过同一个LVDS输出驱动器传输，从而减少了引脚数和功耗。

然而，LVDS输出也并非完美无缺。随着ADC分辨率和采样速率的增加，LVDS接口所需的数据输出量会急剧增加，这对PCB布局提出了更高要求。此外，LVDS信号的阻抗控制必须非常严格，以确保信号的完整性和稳定性。

三、CML输出：未来趋势与高性能

为了满足高分辨率、高速和低功耗的需求，电流模式逻辑(CML)输出逐渐成为高速A/D转换器的新宠。CML输出驱动器通常用于JESD204接口，这种接口目前广泛应用于最新一代的ADC中。

CML输出的最大优势在于其高数据速率和低引脚数。采用JESD204接口的CML驱动器可以使ADC输出端的数据速率达到12Gbps(当前版本JESD204B规格)，并且由于时钟内置于8b/10b编码数据流中，无需传输独立的时钟信号，从而大幅减少了输出引脚数。这对于需要小型封装和低功耗的应用来说尤为重要。

此外，CML驱动器以恒定电流模式工作，这使得它在功耗方面具备显著优势。在恒定电流模式下，CML驱动器需要的输出引脚数较少，总功耗也会相应降低。同时，CML驱动器也需要负载端接和受控阻抗传输线路，以确保信号的完整性和稳定性。

四、生存法则：合理选择与应用

在选择高速A/D转换器的数字输出类型时，设计人员需要综合考虑多个因素，包括ADC的采样速率和分辨率、输出数据速率、系统设计的电源要求以及PCB布局的复杂性等。以下是一些关键的生存法则：

根据采样速率选择输出类型：对于采样速率小于200 Msps的ADC，CMOS输出是一个经济实用的选择。而对于采样速率超过200 Msps的应用，LVDS和CML输出则更具优势。

关注功耗和噪声：在高速应用中，功耗和噪声是两个重要的考虑因素。CML输出以其低功耗和低噪声特性在高性能应用中脱颖而出。

考虑PCB布局和封装限制：随着ADC分辨率和采样速率的增加，输出引脚数和信号完整性成为PCB布局的关键问题。LVDS和CML输出在减少引脚数和简化布局方面表现出色。

关注标准和兼容性：在选择输出类型时，还需要考虑与现有系统和接口的兼容性。LVDS和CML输出都有相应的标准规范支持，确保了广泛的兼容性和可靠性。

关注时序和同步问题：在高速应用中，时序和同步问题尤为重要。CML输出由于内置时钟信号和数据恢复电路，能够有效减少时序偏斜和同步问题。

综上所述，高速A/D转换器的数字输出生存法则在于合理选择和应用不同类型的输出。通过综合考虑采样速率、功耗、噪声、PCB布局和兼容性等多个方面，设计人员可以为特定的应用场景选择最适合的输出类型。以下是对上述生存法则的进一步细化和拓展。