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密切注意數(shù)字活動，為逐次逼近型ADC設計可靠的數(shù)字接口

發(fā)布時間：2016-01-12 責任編輯：susan

【導讀】逐次逼近型模數(shù)轉換器（ADC）廣泛運用于要求最高18位分辨率和最高5 MSPS速率的應用中。主機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)字接口的設計技術，包括數(shù)字電源電平和序列、啟動期間的I/O狀態(tài)、接口時序、信號質量以及數(shù)字活動導致的誤差。
 
數(shù)字I/O電源電平和序列
 
多數(shù)SAR ADC都提供獨立的數(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。此引腳應與主機接口（MCU、DSP或FPGA）電源具有相同的電壓。數(shù)字輸入一般應在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。
 
采用多個電源的ADC可能擁有明確的上電序列。應用筆記AN-932《電源序列》為這些ADC電源的設計提供了良好的參考。為了避免正向偏置ESD二極管，避免數(shù)字內核加電時處于未知狀態(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)手冊中的內容，確保序列正確。
 
啟動期間的數(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，以實現(xiàn)復位、待機或關斷等數(shù)字功能。在所有電源都穩(wěn)定之后，應施加指定脈沖或組合，以確保ADC啟動時的狀態(tài)符合預期。例如，一個高脈沖在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，轉換開始引腳CNVST可能對噪聲敏感。在圖1所示示例中，當AVCC、DVCC和VDRIVE仍在上升時，主機cPLD拉高CNVST。這可能使AD7367進入未知狀態(tài)，因此，在電源完全建立之前，主機應使CNVST保持低電平。
 
圖1. 在電源上升時拉高CNVST可能導致未知狀態(tài)
 
數(shù)字接口時序
 
轉換完成之后，主機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)字接口時序規(guī)范，尤其是ADC和主機的建立和保持時間。最大比特率取決于整個循環(huán)，而不僅僅是最小額定時鐘周期。圖2和下列等式展示了如何計算建立和保持時間裕量。主機把時鐘發(fā)送至ADC并讀取ADC輸出的數(shù)據(jù)。
 
圖2. 建立和保持時序裕量
 
tCYCLE： 時鐘周期
tJITTER： 時鐘抖動
tSETUP： 主機建立時間
tHOLD： 主機保持時間
tPROP_DATA： 從ADC到主機的傳輸線路的數(shù)據(jù)傳播延遲
tPROP_CLK： 從主機到ADC的傳輸線路的數(shù)據(jù)傳播延遲
tDRV： 時鐘上升/下降沿后的數(shù)據(jù)輸出有效時間
tMARGIN： 裕量時間大于等于0表示達到建立時間或保持時間要求，小于0表示未達到建立時間或保持時間要求。
 
主機建立時間裕量
 
tMARGIN_SETUP = tCYCLE, MIN – tJITTER – tSETUP – tPROP_DATA – tPROP_CLK –
 
建立時間等式以最大系統(tǒng)延遲項定義最小時鐘周期時間或最大頻率。要達到時序規(guī)格，必須大于等于0。提高周期（降低時鐘頻率）以解決系統(tǒng)延遲過大問題。對于緩沖器、電平轉換器、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。
 
類似地，主機的保持時間裕量為
 
tMARGIN_HOLD = tPROP_DATA + tPROP_CLK + tDRV – tJITTER –
 
保持時間等式規(guī)定了最小系統(tǒng)延遲要求，以避免因違反保持時間要求而出現(xiàn)邏輯錯誤。要達到時序規(guī)格，必須大于等于0。
 
公司帶SPI接口的許多SAR ADC都是從CS或CNV的下降沿為MSB提供時鐘信號，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，要使用等式中的tEN而非tDRV。
 
圖3. AD7980 3線CS模式下的SPI時序
 
因此，除了最大時鐘速率以外，數(shù)字接口的最大工作速率也取決于建立時間、保持時間、數(shù)據(jù)輸出有效時間、傳播延遲和時鐘抖動。
 
在圖4中，DSP主機訪問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。DSP的額定最小建立時間為5 ns，最小保持時間為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
 
建立時間和保持時間裕量均為正，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
 
[page]
數(shù)字信號質量
 
數(shù)字信號完整性（包括時序和信號質量）確保：在額定電壓下接收信號；不相互干擾；不損壞其他器件；不污染電磁頻譜。信號質量由多個項定義，如圖5所示。本部分將介紹過沖、振鈴、反射和串擾。
 
圖5. 常用信號質量規(guī)格
 
反射是阻抗不匹配導致的結果。當信號沿著走線傳播時，每個接口處的瞬時阻抗都不相同。部分信號會反射回去，部分信號會繼續(xù)沿著線路傳播。反射可能在接收器端產(chǎn)生過沖、欠沖、振鈴和非單調性時鐘邊沿。
 
過沖和欠沖可能損壞輸入保護電路，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可能導致邏輯誤差。
 
絕對最大額定值
 
除非另有說明，TA = 25℃
 
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?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
使用較低的驅動電流和壓擺率
 
針對走線特性阻抗的計算，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，特性阻抗計算起來非常簡單，只需選擇傳輸線路型號并設置相應的參數(shù)即可，比如電介質類型和厚度以及走線寬度、厚度和隔離。
 
作為一種新興標準，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。預布局仿真可檢測時鐘分布、芯片封裝類型、電路板堆疊、網(wǎng)絡拓撲結構和端接策略。也可檢測串行接口時序限制以便為定位和布局提供指導。后仿真可驗證設計是否符合所有指導方針和限制的要求，同時檢測是否存在反射、振鈴、串擾等違反要求的情況。
 
在圖7中，一個驅動器通過一條12英寸的微帶線路連接SCLK1，另一個驅動器通過一個與微帶串聯(lián)的43Ω電阻連接SCLK2。
 
圖7. 驅動
 
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，使信號處于額定值之內。
 
圖8. AD7606 IBIS過沖模型仿真
 
串擾是能量通過互電容（電場）或互感（磁場）在并行傳輸線路間耦合的情況。串擾量取決于信號的上升時間、并行線路的長度以及它們之間的間距。
 
控制串擾的一些常用方法為：
 
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?shù)亩私臃桨?/div>
減小信號壓擺率
 
數(shù)字活動導致的性能下降
 
數(shù)字活動可能導致SAR ADC性能下降，使SNR因數(shù)字地或電源噪聲、采樣時鐘抖動和數(shù)字信號干擾而減小。
 
孔徑或采樣時鐘抖動設定SNR限值，尤其是對高頻輸入信號。系統(tǒng)抖動有兩個來源： 來自片內采樣保持電路的孔徑抖動（內部抖動），以及采樣時鐘上的抖動（外部抖動）?？讖蕉秳訛檗D換間的采樣時間變化，為ADC的函數(shù)。采樣時鐘抖動通常為主要誤差源，但兩個源都會導致模擬輸入采樣時間變化，如圖9所示。它們的影響難以區(qū)分。
 
總抖動會產(chǎn)生誤差電壓，ADC總SNR的限制因素為
 

 
總抖動 = tJ (rms)
總抖動 = √（ADC孔徑抖動）2+（采樣時鐘抖動）2
 
其中，f為模擬輸入頻率，tJ為總時鐘抖動。
 
圖9. 采樣時鐘抖動導致的誤差電壓
 
數(shù)字輸出開關導致的電源噪聲應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)字接口上的活動很敏感，即使電源適當去耦和隔離時。突發(fā)時鐘往往優(yōu)于連續(xù)時鐘。數(shù)據(jù)手冊通常會列出接口不應活動的安靜時間。在較高吞吐速率條件下，可能難以減少這些時間內的數(shù)字活動，通常為采樣時刻及出現(xiàn)關鍵位判斷點時。
 
結論
 
密切注意數(shù)字活動，確保SAR ADC轉換有效。數(shù)字活動導致的誤差可能使SAR ADC進入未知狀態(tài)，導致故障，或者降低性能。希望本文能幫助設計師排查根本原因，同時還能提供解決方案。
 
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