數(shù)字接口至轉(zhuǎn)換器的業(yè)界標準——JESD204

隨著轉(zhuǎn)換器分辨率和速度的提高，對于效率更高的接口的需求也隨之增長。JESD204接口可提供這種高效率，較之其前代互補金屬氧化物半導體(CMOS)和低壓差分信號(LVDS)產(chǎn)品在速度、尺寸和成本方面更有優(yōu)勢。采用JESD204的設計擁有更快的接口帶來的好處，能與轉(zhuǎn)換器更快的采樣速率同步。此外，引腳數(shù)的減少導致封裝尺寸更小，走線布線數(shù)更少，從而極大地簡化了電路板設計，降低了整體系統(tǒng)成本。該標準可以方便地調(diào)整，從而滿足未來需求，這從它已經(jīng)歷的兩個版本的變化中即可看出。自從2006年發(fā)布以來，JESD204標準經(jīng)過兩次更新，目前版本為B。由于該標準已為更多的轉(zhuǎn)換器供應商、用戶以及FPGA制造商所采納，它被細分并增加了新特性，提高了效率和實施的便利性。此標準既適用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)也適用于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，初步打算作為FPGA的通用接口（也可能用于ASIC）。

JESD204——它是什么？

2006年4月，JESD204最初版本發(fā)布。該版本描述了轉(zhuǎn)換器和接收器（通常是FPGA或ASIC）之間數(shù)Gb的串行數(shù)據(jù)鏈路。在 JESD204的最初版本中，串行數(shù)據(jù)鏈路被定義為一個或多個轉(zhuǎn)換器和接收器之間的單串行通道。圖1給出了圖形說明。圖中的通道代表 M 轉(zhuǎn)換器和接收器之間的物理接口，該接口由采用電流模式邏輯(CML)驅(qū)動器和接收器的差分對組成。所示鏈路是轉(zhuǎn)換器和接收器之間的串行數(shù)據(jù)鏈路。幀時鐘同時路由至轉(zhuǎn)換器和接收器，并為器件間的JESD204鏈路提供時鐘。

圖1. JESD204最初標準。

通道數(shù)據(jù)速率定義為312.5 Mbps與3.125 Gbps之間，源阻抗與負載阻抗定義為100 Ω ±20%。差分電平定義為標稱800 mV峰峰 值、共模電平范圍從0.72 V至1.23 V。該鏈路利用8b/10b編碼，采用嵌入式時鐘，這樣便無需路由額外的時鐘線路，也無需考慮相關(guān)的高數(shù)據(jù)速率下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與額外的時鐘信號對齊的復雜性。當JESD204標準開始越來越受歡迎時，人們開始意識到該標準需要修訂以支持多個轉(zhuǎn)換器下的多路、對齊的串行通道，以滿足轉(zhuǎn)換器日益增長的速度和分辨率。

這種認識促成了JESD204第一個修訂版的發(fā)布，即JESD204A。此修訂版增加了支持多個轉(zhuǎn)換器下的多路對齊串行通道的能力。該版本所支持的通道數(shù)據(jù)速率依然為312.5 Mbps至3.125 Gbps，另外還保留了幀時鐘和電氣接口規(guī)范。增加了對多路對齊串行通道的支持，可讓高采樣速率和高分辨率的轉(zhuǎn)換器達到3.125 Gbps的最高支持數(shù)據(jù)速率。圖2以圖形表示JESD204A版本中增加的功能，即支持多通道。

圖2. 第一版——JESD204A。

雖然最初的JESD204標準和修訂后的JESD204A標準在性能上都比老的接口標準要高，它們依然缺少一個關(guān)鍵因素。這一缺少的因素就是鏈路上串行數(shù)據(jù)的確定延遲。對于轉(zhuǎn)換器，當接收到信號時，若要正確重建模擬域采樣信號，則關(guān)鍵是了解采樣信號和其數(shù)字表示之間的時序關(guān)系（雖然這種情況是針對ADC而言，但DAC的情況類似）。該時序關(guān)系受轉(zhuǎn)換器的延遲影響，對于ADC,它定義為輸入信號采樣邊沿的時刻直至轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字這段時間內(nèi)的時鐘周期數(shù)。類似地，對于DAC，延遲定義為數(shù)字信號輸入DAC的時刻直至模擬輸出開始轉(zhuǎn)變這段時間內(nèi)的 時鐘周期數(shù)。JESD204及JESD204A標準中沒有定義可確定性設置轉(zhuǎn)換器延遲和串行數(shù)字輸入/輸出的功能。另外，轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率也不斷提升。這些因素導致了該標準的第二個版本——JESD204B。

2011年7月，第二版本標準發(fā)布，稱為JESD204B，即當前版本。修訂后的標準中，其中一個重要方面就是加入了實現(xiàn)確定延遲的條款。此外，支持的數(shù)據(jù)速率也提升到12.5 Gbps，并劃分器件的不同速度等級。此修訂版標準使用器件時鐘作為主要時鐘源，而不是像之前版本那樣以幀時鐘作為主時鐘源。圖3表示JESD204B版本中的新增功能。

圖3. 第二個（當前）修訂版——JESD204B。

在之前的JESD204標準的兩個版本中，沒有確保通過接口的確定延遲相關(guān)的條款。JESD204B修訂版糾正了這個問題。通過提供一種機制，確保兩個上電周期之間以及鏈路重新同步期間，延遲是可重現(xiàn)和確定性的。其工作機制之一是：在定義明確的時刻使用SYNC~輸入信號，同時初始化所有通道中轉(zhuǎn)換器最初的通道對齊序列。另一種機制是使用SYSREF信號——一種JESD204B定義的新信號。SYSREF信號作為主時序參考，通過每個發(fā)射器和接收器的器件時鐘以及本地多幀時鐘對齊所有內(nèi)部分頻器。這有助于確保通過系統(tǒng)的確定延遲。JESD204B規(guī)范定義了三種器件子類：子類0——不支持確定性延遲；子類1——使用SYSREF的確定性延遲；子類2——使用SYNC~的確定性延遲。子類0可與JESD204A鏈路做簡單對比。子類1最初針對工作在500MSPS或以上的轉(zhuǎn)換器，而子類2最初針對工作在500MSPS以下的轉(zhuǎn)換器。

除了確定延遲，JESD204B支持的通道數(shù)據(jù)速率上升到12.5 Gbps，并將器件劃分為三個不同的速度等級：所有三個速度等級的源阻抗和負載阻抗相同，均定義為100 Ω ±20%。第一速度等級與JESD204和JESD204A標準定義的通道數(shù)據(jù)速率相同，即通道數(shù)據(jù)電氣接口最高為3.125 Gbps。JESD204B的第二速度等級定義了通道數(shù)據(jù)速率最高為6.375 Gbps的電氣接口。該速度等級將第一速度等級的最低差分電平從500 mV峰峰值降為400 mV峰峰值。JESD204B的第三速度等級定義了通道數(shù)據(jù)速率最高為12.5 Gbps 的電氣接口。該速度等級電氣接口要求的最低差分電平降低至360 mV峰峰值。隨著不同速度等級的通道數(shù)據(jù)速率的上升，通過降低所需驅(qū)動器的壓擺率，使得所需最低差分電平也隨之降低，以便物理實施更為簡便。

為提供更多的靈活性，JESD204B版本采用器件時鐘而非幀時鐘。在之前的JESD204和JESD204A版本中，幀時鐘是JESD204系統(tǒng)的絕對時間參照。幀時鐘和轉(zhuǎn)換器采樣時鐘通常是相同的。這樣就沒有足夠的靈活性，而且要將此同樣的信號路由給多個器件，并考慮不同路由路徑之間的偏斜時，就會無謂增加系統(tǒng)設計的復雜性。JESD204B中，采用器件時鐘作為JESD204系統(tǒng)每個元件的時間參照。每個轉(zhuǎn)換器和接收器都獲得時鐘發(fā)生器電路產(chǎn)生的器件時鐘，該發(fā)生器電路負責從同一個源產(chǎn)生所有器件時鐘。這使得系統(tǒng)設計更加靈活，但是需要為給定器件指定幀時鐘和器件時鐘之間的關(guān)系。

JESD204——為什么我們要重視它？

就像幾年前LVDS開始取代CMOS成為轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口技術(shù)的首選，JESD204有望在未來數(shù)年內(nèi)以類似的方式發(fā)展。雖然CMOS技術(shù)目前還在使用中，但已基本被LVDS所取代。轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率以及對更低功耗的要求最終使得CMOS和LVDS將不再適合轉(zhuǎn)換器。隨著CMOS輸出的數(shù)據(jù)速率提高，瞬態(tài)電流也會增大，導致更高的功耗。雖然LVDS的電流和功耗依然相對較為平坦，但接口可支持的最高速度受到了限制。

這是由于驅(qū)動器架構(gòu)以及眾多數(shù)據(jù)線路都必須全部與某個數(shù)據(jù)時鐘同步所導致的。圖4顯示一個雙通道14位ADC的CMOS、LVDS和CML輸出的不同功耗要求。

圖4. CMOS、LVDS和CML驅(qū)動器功耗比較。

在大約150 MSP至200 MSPS和14位分辨率時，就功耗而言，CML輸出驅(qū)動器的效率開始占優(yōu)。CML的優(yōu)點是：因為數(shù)據(jù)的串行化，所以對于給定的分辨率，它需要的輸出對數(shù)少于LVDS和CMOS驅(qū)動器。JESD204B接口規(guī)范所說明的CML驅(qū)動器還有一個額外的優(yōu)勢，因為當采樣速率提高并提升輸出線路速率時，該規(guī)范要求降低峰峰值電壓水平。

同樣，針對給定的轉(zhuǎn)換器分辨率和采樣率，所需的引腳數(shù)目也大為減少。表1顯示采用200 MSPS轉(zhuǎn)換器的三種不同接口各自的引腳數(shù)目，轉(zhuǎn)換器具有各種通道數(shù)和位分辨率。在CMOS和LVDS輸出中，假定時鐘對于各個通道數(shù)據(jù)同步，使用CML輸出時，JESD204B數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率為4.0 Gbps。從該表中可以發(fā)現(xiàn)，使用CML驅(qū)動器的JESD204B優(yōu)勢十分明顯，引腳數(shù)大為減少。

表1. 引腳數(shù)比較——200 MSPS ADC

業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供應商ADI預見到了推動轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口向JESD204（由JEDEC定義）發(fā)展的趨勢。ADI自從初版JESD204規(guī)范發(fā)布之時起即參與標準的定義。迄今為止，ADI公司已發(fā)布多款輸出兼容JESD204和JESD204A的轉(zhuǎn)換器，目前正在開發(fā)輸出兼容JESD204B的產(chǎn)品。AD9639是一款四通道、12位、170 MSPS/210 MSPS ADC，集成JESD204接口。AD9644和AD9641是14位、80 MSPS/ 155 MSPS、雙通道/單通道ADC，集成JESD204A接口。DAC這方面，最近發(fā)布的AD9128是一款雙通道、16位、1.25 GSPS DAC，集成JESD204A接口。

隨著轉(zhuǎn)換器速度和分辨率的提高，對于效率更高的數(shù)字接口的需求也隨之增長。隨著JESD204串行數(shù)據(jù)接口的發(fā)明，業(yè)界開始意識到了這點。接口規(guī)范依然在不斷發(fā)展中，以提供更優(yōu)秀、更快速的方法將數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換器和FPGA（或ASIC）之間傳輸。接口經(jīng)過兩個版本的改進和實施，以適應對更高速度和分辨率轉(zhuǎn)換器不斷增長的需求。展望轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口的發(fā)展趨勢，顯然JESD204有望成為數(shù)字接口至轉(zhuǎn)換器的業(yè)界標準。每個修訂版都滿足了對于改進其實施的要求，并允許標準演進以適應轉(zhuǎn)換器技術(shù)的改變及由此帶來的新需求。隨著系統(tǒng)設計越來越復雜，以及對轉(zhuǎn)換器性能要求的提高，JESD204標準應該可以進一步調(diào)整和演進，滿足新設計的需要。
編輯：hfy