使用高速數(shù)據(jù)轉換器快速取得成功的關鍵

作者：Philip Pratt

無論是設計測試和測量設備還是汽車激光雷達模擬前端（AFE），使用現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)轉換器的硬件設計人員都面臨高頻輸入、輸出、時鐘速率和數(shù)字接口的嚴峻挑戰(zhàn)。問題可能包括與您的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）相連、確信您的首個設計通道將起作用或確定在構建系統(tǒng)之前如何對系統(tǒng)進行最佳建模。

本文中將仔細研究這些挑戰(zhàn)。

快速的系統(tǒng)開發(fā)

開始新的硬件設計之前，工程師經(jīng)常會在自己的測試臺上評估最重要的芯片。一旦獲得了運行典型評估板所需的設備，組件評估通常會在理想情況的電源和信號源下進行。TI大多數(shù)情況下會提供車載電源和時鐘，以便您可使用最少的測試臺設備以及如圖1所示設置的更實際的電源和信號源來運行電路板。

使用高速數(shù)據(jù)轉換器快速取得成功的關鍵

圖1：典型的ADC評估板

驗證性能后，可將更完整的評估板的示意圖和布局作為那一部分子系統(tǒng)的參考設計部分子。我們的數(shù)據(jù)采集和模式生成工具支持CMOS、LVDS和JESD204，并附帶操作它們所需的軟件。為您的高速數(shù)據(jù)轉換器使用評估板用戶指南，可在不到10分鐘的時間內啟動并運行大多數(shù)評估板。參見圖2。

圖2：TI的數(shù)據(jù)采集和模式生成的硬件和軟件

隨著系統(tǒng)變得越來越復雜，您可能需要評估更廣范圍的用例。此時你可能會需要一塊評估板。如果您的評估需求變得復雜，則可使用Python、MATLAB、LabVIEW或C ++軟件通過設備評估板、采集卡解決方案和測試臺設備直接與設備通信。我們支持板的一些很好的示例包括用于LVDS/CMOS的TSW1400EVM以及用于支持JESD204B串行器-解串器（SerDes）協(xié)議設備的TSW14J56EVM，如圖3所示。

圖3：TI的用于JESD204B數(shù)據(jù)采集或模式生成的TSW14J56EVM

TI還支持單臺PC上的有多評估模塊原型的完整系統(tǒng)級模型。例如，通過將KCU105或VCU118等Xilinx FPGA開發(fā)套件連接到多個模擬-數(shù)字轉換器（ADC）或數(shù)字-模擬轉換器（DAC），可同時測試發(fā)送和接收通道。

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FPGA連通性以及JESD204B和JESD204C

您可能要解決的最大問題之一是如何在FPGA中獲取數(shù)據(jù)。盡管LVDS和CMOS是簡易接口，但它們在設備上每個管腳上支持的速度極其有限。隨著更新型的高速數(shù)據(jù)轉換器更普遍地支持》 1 GSPS的輸入或輸出速率，這些接口要么失去市場，要么使設計變得復雜。

為微電子行業(yè)制定開放標準的JEDEC創(chuàng)建了JESD204，通過支持超過12.5 Gbps的差分對通道速率來解決此問題。但盡管JESD204最大限度地減少了管腳數(shù)量，但它通過對并行數(shù)據(jù)進行編碼和串行化或反序列化和解碼增加了接口復雜性。

到目前為止，您不得不主要依靠JESD204知識產(chǎn)權（IP）塊和FPGA供應商提供的支持。盡管這些IP塊可很好地工作，但它們以支持任意配置的任何設備的方式提供。這意味著很難為您的特定用例進行了解和配置。您需要花費大量精力自己設計IP，或從第三方IP提供商那里尋求IP。但如果出現(xiàn)問題，第三方IP將需要在實現(xiàn)方面提供幫助和支持。

TI自有的JESD204快速設計IP可針對您的FPGA平臺、數(shù)據(jù)轉換器和JESD204模式進行預配置和優(yōu)化。我們的IP需要更少的FPGA資源，同時還可針對每種特定用途進行定制。另一個優(yōu)點是實現(xiàn)JESD204鏈接僅需數(shù)小時或數(shù)天，而非數(shù)周或數(shù)月的時間。

設備模型

隨著直接射頻（RF）采樣和超快SerDes與高速數(shù)據(jù)轉換器的結合變得越來越普遍，對RF和信號完整性進行建模的能力已成為成功通過首次設計的必要條件。傳統(tǒng)上講，大多數(shù)供應商僅為S參數(shù)模型中的ADC提供輸入阻抗信息，但TI的ADC12DJ3200、ADC12DJ5200RF和ADC12QJ1600-Q1高頻輸入器件的目標是高達8 GHz的采樣頻率，現(xiàn)在具有包含阻抗和頻率響應信息的S參數(shù)模型。

使用此新模型，您可模擬預期的設備行為并優(yōu)化阻抗匹配。TI的策略是在支持極高的輸入和輸出頻率的設備上提供這些模型，而阻抗匹配和實現(xiàn)所需的頻率響應則更具挑戰(zhàn)性。

在數(shù)據(jù)轉換器的數(shù)字接口側，輸入/輸出緩沖區(qū)信息規(guī)范（IBIS）是一種通用模型，可為CMOS和LVDS管腳提供物理層信息以及DC和AC類型的行為。對于大多數(shù)使用高速JESD204 SerDes的新型數(shù)據(jù)轉換器，這些模型已改進為IBIS-算法建模接口（AMI），其中包括有助于應用均衡和預加重或后加重的有用信息。IBIS-AMI提供您所需的建模功能，使您首次即可正確使用電路板，同時實現(xiàn)良好的誤碼率、信號完整性和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈路。圖4所示為RF（綠色）和數(shù)字接口（藍色）模型。