多年來，高速信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)所使用的典型流水線架構(gòu)包含了取樣波形所需的所有功能，這些功能被集成進(jìn)同一封裝中：

1. 某種形式的跟蹤保持電路，可保持用于轉(zhuǎn)換的信號；

2. 內(nèi)置參考和偏置電流；

3. 時鐘緩沖器和較小的數(shù)字電路，可將來自各級電路的比特組成無誤碼的數(shù)據(jù)字。

在大多數(shù)情況下，這些轉(zhuǎn)換器中的可編程性僅限于通過一個休眠管腳打開/關(guān)閉轉(zhuǎn)換器，或通過在雙補(bǔ)碼(two's complement)或偏移二進(jìn)制碼(offset binary)輸出格式中選擇一種格式。

系統(tǒng)內(nèi)調(diào)整

隨著ADC速度和通道密度的提高，數(shù)字輸出驅(qū)動電平和終端電阻的系統(tǒng)內(nèi)調(diào)整有助于保證高數(shù)據(jù)速率時的數(shù)字信號完整性。對具有串行低壓差分信號(LVDS)輸出的ADC來說更是如此。在沒有輸入信號的情況下，通過從ADC輸出端提供一個數(shù)字激勵信號，就可以在輸出總線上發(fā)送練習(xí)模型。這樣做可以確保多個數(shù)字組成得到正確的連接。即使是信噪比(SNR)和無雜散動態(tài)范圍(SFDR)之間的性能折衷也可以通過寄存器調(diào)整實現(xiàn)。

目前已有一些流水線式ADC具備了增強(qiáng)的可編程能力，例如TI公司的ADS*5。在該器件中，4個14位、125兆樣本/秒的ADC、以及用戶可編程性都被集成在單一的9×9mm封裝內(nèi)，因此比起采用多個ADC、每個ADC包含一個轉(zhuǎn)換器、整體體積更大的方案，該器件使用起來更容易。ADS*5還有許多特性可用于精確調(diào)整數(shù)字接口，以及實現(xiàn)SNR和SFDR之間的系統(tǒng)折衷。這正是系統(tǒng)內(nèi)可編程能力存在的真正價值。

一旦定義好ADC和下游數(shù)字器件之間的鏈路并在板上建立起來，通過串行可編程接口(SPI)調(diào)整ADC的能力，就可以把以前要數(shù)周的調(diào)試時間縮短到5分鐘。如果沒有這種可編程能力，那就可能需要設(shè)計多個電路板才能解決意外的數(shù)字信號完整性或時序問題。

可調(diào)整的LVDS接口

可以通過ADS*5中的SPI調(diào)整寄存器設(shè)置中的LVDS電流等級，以優(yōu)化低阻抗或互連匹配不良的差分信號完整性。這些調(diào)整可以在板子制造出來后進(jìn)行。LVDS信號完整性在LVDS傳輸路徑末端進(jìn)行表征。

例如，圖1就是只有5pF負(fù)載電容的一個LVDS數(shù)據(jù)輸出位的示波器圖形。LVDS輸出驅(qū)動強(qiáng)度被設(shè)為3.5mA進(jìn)入板上100歐姆電阻，觸發(fā)頻率為~375MHz。這些是正常的LVDS設(shè)置。在高速和更長距離時，LVDS信號中可能會發(fā)生反射，從而減小數(shù)據(jù)有效窗口，破壞接收器件識別正確轉(zhuǎn)換信號的能力。這種信號完整性問題正在圖1中發(fā)生。

圖1：LVDS的電容負(fù)載5pF，以額定的3.5mA進(jìn)入板上接收端100歐姆的電阻。

有幾種方法可以解決這個問題，它們除了訪問ADC的SPI外沒有其他任何要求。你可以將LVDS輸出電路中的內(nèi)部負(fù)載電阻作為源負(fù)載來終結(jié)傳輸線。這會在LVDS輸出端形成一個50歐姆的負(fù)載(兩個100歐姆電阻并聯(lián))。因此，額定的3.5mA電流形成的信號幅度是700mVpp額定輸出電壓的一半。

更低的差分信號電平本身會導(dǎo)致與上述劣化信號同樣多的檢測錯誤，但只要LVDS接收器具備必要的靈敏度，那么對許多系統(tǒng)來說就沒有問題。

如果要求更高的LVDS擺幅，可以設(shè)置ADS*5讓LVDS輸出電流翻倍到7mA(圖2)，從而使信號回到700mVpp。電容負(fù)載也從5pF(圖1)提高到10pF(圖2)，進(jìn)一步彰顯了額外電流和雙倍終端信號的好處。在圖2中，所有轉(zhuǎn)化現(xiàn)在都沒有反射能量。

圖2：LVDS的電容負(fù)載10pF，以的7mA進(jìn)入板上接收端50歐姆的電阻。

就像驅(qū)動能力可以根據(jù)要求增加一樣，在LVDS信號完整性允許的條件下，也可以降低驅(qū)動能力以便節(jié)省功耗。為了節(jié)省功率，如果滿幅700mVpp沒必要的話，或者距離可能很短、ADC和數(shù)字器件之間的負(fù)載也很小，那么就可以改變LVDS輸出電流和負(fù)載電阻。

根據(jù)不同的期望結(jié)果，這樣做有幾大好處。在信號速率不是特別高、電容負(fù)載又低的情況下，可以使用低于3.5mA標(biāo)準(zhǔn)的幾種電流設(shè)置之一、以及大于100歐姆的內(nèi)部負(fù)載電阻(甚至無需額外的負(fù)載電阻，進(jìn)而節(jié)省費用和空間)，這樣仍能建立可靠的鏈接。

在信號完整性允許的情況下，一種節(jié)省功耗的方法是選用142歐姆的內(nèi)部LVDS差分負(fù)載和2.5mA的LVDS電流。在這種組合設(shè)置下仍能達(dá)到約700mVpp。通常，在條件有保證的情況下，建議為LVDS路徑末端的差分終端電阻提供一塊空間。對于短路徑來說可能沒有必要，ADC里的內(nèi)部源端的終端電阻已經(jīng)足夠。

LVDS規(guī)范允許LVDS源的差分輸出處于247到454mV峰值范圍內(nèi)的任一點。其他組合也可能用于增加或減少仍處于TIA/EIA/ANSI-* LVDS規(guī)范內(nèi)的LVDS驅(qū)動強(qiáng)度和電壓電平。你可以從系統(tǒng)概念開始就選擇這些特性以便節(jié)省功率。另外，它們也可以在LVDS信號完整性問題被意外發(fā)現(xiàn)時僅用作保障措施。

這些特性可以在發(fā)生問題時節(jié)省大量板級調(diào)試的時間和費用。要看清楚LVDS接收器件要求的電壓值。因為每塊板都是不同的，你可能需要對ADC編程以便調(diào)整LVDS輸出電平。這可以在電路板信號丟失被表征和考慮后，在LVDS接收端來維持允許的范圍。

內(nèi)置測試模型

ADS*5提供了多種內(nèi)置的測試模型，可以在沒有模擬輸入源的時候使用。這些模型可以在初始電路板調(diào)試時用來考察ADC和FPGA之間的時序關(guān)系，以便確定FPGA接口處正確的時鐘與數(shù)據(jù)關(guān)系。這能確保有良好的時序(時序通?？梢栽贔PGA LVDS輸入信號中調(diào)整)。

與提供模擬信號相比，使用內(nèi)置練習(xí)模型的一個好處是模型具有一致性，因此可以排除模擬源帶來的任何誤差問題，使實驗具有可重復(fù)性，也更容易建立。練習(xí)模型也可以在電路板制造與測試過程中用作電路板功能測試的一部分。

信號增益、SNR和SFDR

可編程性不僅僅能解決板級互連問題，一些特性還可以用來實現(xiàn)系統(tǒng)性能折衷。舉例來說，ADS*5也有內(nèi)部模擬輸入信號增益功能，允許犧牲SNR來提高SFDR，或只是降低模擬輸入幅度。

ADS*5既有粗略增益調(diào)整也有精細(xì)增益調(diào)整。在這兩種情況下，模擬輸入電壓值必須至少要減去ADC中所選取的增益值。這樣可以保持ADC的輸入電壓范圍，避免讓數(shù)字輸出字飽和或削減。因此，如果你想使用ADC中的增益設(shè)置進(jìn)行開發(fā)，最好要在ADC之前的模擬電路中就計劃減少板級模擬輸入信號的電平。

從圖3和圖4可以看出，折衷在輸入信號電平和使用兩種不同增益調(diào)整方法導(dǎo)致的失真(或這里特指的SFDR)之間是顯而易見的。這個特性可用來獲得多重對象。對于能利用數(shù)字抽取技術(shù)恢復(fù)SNR的窄帶系統(tǒng)來說，根據(jù)涉及的輸入頻率，可以通過降低轉(zhuǎn)換器中的SNR來改善SFDR。

圖3：使用精細(xì)增益控制時SFDR與輸入頻率的對比。

圖4：使用粗略增益控制時SFDR與輸入頻率的對比

另外，通過允許更小的輸入信號進(jìn)入ADC，同時仍保持來自ADC的全刻度代碼，驅(qū)動ADC的模擬電路就可能改善失真，并為放大器和ADC整合電路創(chuàng)建更好的SFDR。

可以在創(chuàng)建原型的階段就使用這個特性，以便確定輸入信號電平的最佳組合，從而無需設(shè)計多塊電路板就能取得最佳的系統(tǒng)失真?？梢栽谙到y(tǒng)中動態(tài)地進(jìn)行增益調(diào)整，并一道使用自動增益控制(AGC)來恢復(fù)盡可能多的動態(tài)范圍。還可以通過一個封裝引腳實現(xiàn)粗略的3.5dB增益設(shè)置，以便用于那些沒有SPI但想要調(diào)整ADC增益的應(yīng)用，附加的內(nèi)部寄存器子集也是如此。

圖5和圖6給出了信號-噪聲及失真比(SINAD)，以及與A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部增益設(shè)置有關(guān)的SNR減少的情況。

圖5：使用精細(xì)增益控制時SINAD與輸入頻率的對比

圖6：使用粗略增益控制時SNR與輸入頻率的對比

由于高速A/D轉(zhuǎn)換器的可編程性越來越強(qiáng)，它們對用戶的友好程度也越來越高。對那些厭煩SPI方法或編程的傳統(tǒng)模擬硬件設(shè)計師來說，該ADC仍可以使用默認(rèn)的設(shè)置，直接簡單的忽略掉其可編程特性。

高速ADC是模擬和數(shù)字硬件之間的橋梁，它經(jīng)常由全數(shù)字或全模擬硬件設(shè)計師負(fù)責(zé)。此時，數(shù)字硬件設(shè)計師更容易接受其可編程特性，但它也可以幫助那些無法正確建立數(shù)字時序或信號完整性的模擬硬件設(shè)計師節(jié)省寶貴的時間。