【導(dǎo)讀】更高速轉(zhuǎn)換器的帶寬需求正在推動設(shè)計向更高級CMOS工藝節(jié)點發(fā)展,以降低功耗,提高性能。這種趨勢將為其帶來新的接口挑戰(zhàn)。本文ADI的專家專門針對這個為大家詳解,如何選擇合適的轉(zhuǎn)換器,有什么好的技術(shù)能滿足目前這種苛刻的要求。
隨著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)和FPGA不斷采用更高級更小型化幾何體,系統(tǒng)設(shè)計人員面臨著新的數(shù)據(jù)接口挑戰(zhàn)。更小工藝幾何體支持更高帶寬轉(zhuǎn)換器在不斷提高的分辨率及速度下運行,其可實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量。而且,它們還可提供更高的串行/解串(串行解串器)速率,以適應(yīng)在以前較大幾何體上無法實現(xiàn)的帶寬占用。更小的工藝幾何體也可實現(xiàn)將更多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成在單個器件中。這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接口解決方案不僅需要支持高數(shù)據(jù)速率,而且還必須與復(fù)雜FPGA器件兼容,并保證I/O數(shù)。
JESD204B接口是一個串行解串器鏈路規(guī)范,允許12.5Gbps的最大數(shù)據(jù)速率傳輸。使用高級工藝(例如65nm或更?。┑霓D(zhuǎn)換器支持該最大數(shù)據(jù)速率,還可提高電源效率。系統(tǒng)設(shè)計人員可充分利用該技術(shù)相對于低壓差分信號(LVDS)DDR的優(yōu)點。
幾個開放市場FPGA可為串行收發(fā)器提供12.5Gbps乃至更高的數(shù)據(jù)速率,其中包括賽靈思Virtex-7與Kintex-7系列。盡管FPGA具備這種功能有一定時間了,但轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在才能達(dá)到這種性能。該技術(shù)可允許多個轉(zhuǎn)換器的同步,比如常用的轉(zhuǎn)換器內(nèi)部多個通道同步,能夠在單個FPGA器件中實現(xiàn)。
為不同應(yīng)用提供不同選擇
對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的高速串行傳輸,不同的應(yīng)用有不同的選擇。十多年來,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器制造商一直選擇LVDS作為主要差分信號技術(shù)。盡管有些LVDS應(yīng)用可使用更高的數(shù)據(jù)速率,但目前該市場上的轉(zhuǎn)換器廠商可提供的最大LVDS數(shù)據(jù)速率仍然為0.8至1Gbps。LVDS技術(shù)一直難以滿足轉(zhuǎn)換器的帶寬要求。LVDS受TIA/EIA644A規(guī)范控制,這是一項LVDS核心制造商的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)范可作為設(shè)計人員的最佳實踐指南,提高不同廠商的LVDS發(fā)送器及接收器兼容性。同樣,沒有完全遵守LVDS規(guī)范的設(shè)計人員構(gòu)建的產(chǎn)品將不符合規(guī)范,并會因兼容性問題在市場上遇到更大的挑戰(zhàn)。
像LVDS一樣,JESD204B歸屬Jedec標(biāo)準(zhǔn)組織,其可針對不同制造商之間的互操作性提供電氣及物理需求指導(dǎo)。JESD204B的最大數(shù)據(jù)速率定義為12.5Gbps,可實現(xiàn)比實際LVDS吞吐量高出10倍以上的優(yōu)勢。該性能不僅可為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)降低I/O需求及封裝尺寸,而且還可通過降低靜態(tài)功耗顯著節(jié)省系統(tǒng)成本。
JESD204B規(guī)范支持AC耦合,可實現(xiàn)與使用不同供電級的不同技術(shù)節(jié)點的兼容。例如,28nm及更小的FPGA處理節(jié)點是典型的前沿制造工藝技術(shù)。轉(zhuǎn)換器晶體管節(jié)點由于需要自定義模擬設(shè)計,一般會落后于業(yè)界最佳FPGA幾代。相反,LVDS通常采用DC耦合策略,其會提高轉(zhuǎn)換器與更低功耗電源FPGA的連接難度。共模電壓的不匹配度越大,靜態(tài)電流消耗就越高,不會受數(shù)據(jù)速率影響。為此,JESD204B現(xiàn)已成為高分辨率及高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器制造商極具誘惑力的差分信號技術(shù)。除了電氣規(guī)范以外,JESD204B還具有針對三種物理層的相關(guān)眼圖性能要求。性能指標(biāo)包括定義的眼圖和總體抖動預(yù)算。光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇(OIF)具有成熟的物理層(PHY)規(guī)范和眼圖標(biāo)準(zhǔn),JESD204B接口可利用其實現(xiàn)相同的串行數(shù)據(jù)速率。JESD204B鏈路可使用OIF低電壓11Gbit短距離規(guī)范(LV-OIF-11G-SR)允許的總體抖動最大值,即單位間隔(UI)的30%。圖1是12.5Gbps下原始JESD204B眼圖及模板的示圖。模板可在水平軸及垂直軸上提供確定的裕量總數(shù)。值得注意的是,12.5Gbps眼圖符合LV-OIF-11G-SR規(guī)范,該規(guī)范建立在11.1Gbps的速度基礎(chǔ)之上,比其他的12.5Gbps數(shù)據(jù)速率下的規(guī)范要求更嚴(yán)格。
圖1 12.5GbpsJESD204B眼圖與LV-OIF-11G-SR發(fā)送眼圖模板
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三種PHY模式
JESD204B支持針對串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜NPHY模式,其由LV-OIF規(guī)范定義并根據(jù)最大JESD204B通道速率分類。定義三種物理層的速率為3.125Gbps、6.375Gbps以及12.5Gbps,如下所示:
.基于LV-OIF-SxI5的運行:312.5Mbps至3.125Gbps;
.基于LV-OIF-6G-SR的運行:312.5Mbps至6.375Gbps;
.基于LV-OIF-11G-SR的運行:312.5Mbps至12.5Gbps。
每個類別的最大及最小電氣規(guī)范略有不同,以適應(yīng)因所支持的廣泛數(shù)據(jù)速率而導(dǎo)致的必要差別。圖2是LV-OIF-11G-SR物理層變量的電氣規(guī)范參數(shù),其可用于12.5Gbps的最大JESD204B數(shù)據(jù)速率。
圖2LV-OIF-11G-SRJESD204B、12.5-Gbps發(fā)送器的電氣規(guī)范,可看出鏈路上共模電壓終端的高度靈活性
該規(guī)范的一個優(yōu)勢是:與DC耦合使用案例相比,其可在鏈路上支持更寬泛的共模電壓。這可降低有關(guān)JESD204B發(fā)送器及接收器(它們可能來自不同的廠商)的系統(tǒng)設(shè)計要求,因為它可根據(jù)需要提供電平移動。AC耦合數(shù)據(jù)通道的第二個優(yōu)勢是:可在發(fā)送器和接收器之間對共模噪聲進(jìn)行去耦,從而有助于緩解系統(tǒng)設(shè)計人員關(guān)于信號質(zhì)量的顧慮。DC耦合更容易受到耦合在數(shù)據(jù)線路中的共模噪聲影響。AC耦合的第三個優(yōu)勢是:其可降低來自多個廠商的不同發(fā)送器(Vtt)及接收器最終電壓需求,從而可使接收器工作在其最佳共模電壓下。這有助于JESD204B發(fā)送器與接收器在需要高度的電源電壓靈活性的系統(tǒng)設(shè)計中以不同的最終電壓運行。
此外,JESD204B接口還可針對單個鏈路上的多個轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)分區(qū)。隨著鏈路速率提升至12.5Gbps,更多的轉(zhuǎn)換器可部署在相同的鏈路(對應(yīng)不同變量的數(shù)據(jù),請參見圖3)上。這特別適合在單個封裝中提供2個、4個、8個以及16個轉(zhuǎn)換器的器件,同時這也是與LVDS接口相比的一大獨特優(yōu)勢。LVDS可作為一個I/O結(jié)構(gòu),將一個單通道轉(zhuǎn)換器做為終點/起點進(jìn)行直接輸入輸出,但是不能明確定義一個方法來整合整個I/O中多個轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)。有了JESD204B,就有了實現(xiàn)從多個轉(zhuǎn)換器在相同的pin上串行發(fā)送綜合數(shù)據(jù)的明確規(guī)范。每塊器件數(shù)據(jù)的來源甚至不需要是真實的固定硬件轉(zhuǎn)換器。它可來自一個"虛擬轉(zhuǎn)換器"濾波器,該濾波器作為真實轉(zhuǎn)換器的數(shù)字處理的一部分,輸出一分為二,包括實數(shù)路徑和復(fù)數(shù)路徑。針對90度相移的IQ通信系統(tǒng)就可充分利用虛擬轉(zhuǎn)換器的特性。
圖3具有不同采樣速率及通道數(shù)的轉(zhuǎn)換器對比可顯示出I/O數(shù)的差別。與工作速率為1Gbps的LVDS相比,工作速率為12.5Gbps的JESD204B接口只需其引腳數(shù)的1/10
JESD204B所提供的明確規(guī)范既支持從相同pin腳上串行發(fā)送多個轉(zhuǎn)換器綜合數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)的最佳轉(zhuǎn)換器
更高速轉(zhuǎn)換器的帶寬需求正在推動設(shè)計向更高級CMOS工藝節(jié)點發(fā)展,以降低功耗,提高性能。這種趨勢將為其帶來新的接口挑戰(zhàn)。12.5Gbps最高速度的JESD204B接口有助于解決其中一些問題,否則即便需再多的LVDSDDR通道,也無法滿足更高采樣速率下的帶寬速度及性能需求。轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口的引腳I/O、耦合以及供電范圍需求,將有助于為系統(tǒng)選擇合適的轉(zhuǎn)換器。