JESD204B与LVDS接口并行 管线式ADC延迟问题分析及解答 - 全文

JESD204B为业界标准序列通信链接，数据转换器与现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、特定应用集成电路(ASIC)等装置间的数字数据接口因此能化繁为简，这项标准减少装置间路由进而降低输入/输出及电路板面积需求，符合无线通信、量测、国防、航天等应用所需。

一般选择高速模拟数字转换器(ADC)时，ADC延迟高低大多并非重要设计因素或规格，最近新的JESD204B高速串行接口正迅速在全球普及，也逐渐成为数字接口首选，不过也因此为ADC延迟增加多个频率周期，故有些系统设计师仍继续沿用既有的低延迟接口，本文分析造成高速管线式ADC延迟的主因，并说明部分系统仍避免选用JESD204B的理由。

系统设计人员标示组件延迟时，通常以奈秒为单位，但管线式ADC延迟计算单位为频率周期，意指从ADC采样频率捕捉到输入讯号，至产生数字输出的时间差，采样率增加后，固定频率周期的绝对延迟奈秒数减少。

传输延迟(TPD)代表频率输入、频率输出与数据的缓冲延迟，一般未纳入延迟数据中，取决于缓冲使用量，以及个别缓冲击在不同制程、电压及温度下的延迟变化，故传输延迟属于变量，可能低于一个频率周期，也可能达到数个频率周期。

管线式ADC的产品说明书内，亦标明未纳入延迟数据的孔隙延迟，意指从输入采样频率的上升边缘抵达ADC，到采样实际发生之间的时间差。

分析管线式ADC延迟

现代高速管线式ADC的延迟与设计大有关系，ADC可拆解为四项基本区块：模拟前端、管线级、数字区块、输出级(图1)，由于ADC设计师可决定各区块配置情形，基于ADC采样率、耗能、AC效能等考虑因素，每一项设计都各有不同。

 

图1 现代高速管线式ADC的基本区块

模拟前端内含采样保持放大器，有时再加上模拟输入缓冲，协助抑制切换电容采样电路的突波噪声，这个区块通常只需要半个到一个频率周期。
管线区内含个别管线级，以及组成输出数据的错误更正功能，每一管线级内含低分辨率ADC、数字模拟转换器(DAC)及残值放大器，由于各级间轮流使用频率上升边缘与下降边缘，通常只需半个频率周期，各级分辨率也不需相同，分辨率愈高，管线式整体延迟愈低，但也需要更多比较器、更高耗能、匹配更紧密、偏移更少，故设计愈复杂。依据各级数量多寡，管线式区块延迟介于二到五个频率周期，在不同使用情况下，错误更正功能可能外加一至二个频率周期。

数字区块延迟依架构内功能数量而定，多数管线式ADC介于三到十个频率周期，终端用户通常乐于拥有多功能，如数字增益管控、DC偏移更正、数据格式化(2s互补/偏移二进制或MSB/LSB First)等；然而内建多项功能却也会增加ADC延迟的频率周期，通常只要省略这些功能，延迟即可缩小，但即使是多任务器也会增加延迟。

ADC采样率也会冲击延迟情况，随着采样率增加，基于制程限制，或为减少耗能，数字区块可能得降低运作速度，如数字区块运作速度减半，即可同时处理两项样本，故实质ADC速度不变，但并行与序列运作仍会消耗额外的频率周期。

输出级内含数据格式器与数字接口，在传统低电压差动讯号(LVDS)接口中，这个区块只是移位寄存器，将数字数据置入LVDS输出缓冲内，依据单倍、双倍或四倍之别，只需一至二个频率周期；而最新JESD204B接口在此区块稍微复杂一些，加入8b/10b编码、数据搅拌器、序列器。ADC采样率与序列器数据传输速率提高后，可能需要更多内部并行处理，因此冲击延迟，而在不同的设计、ADC采样率与配置之下，JESD204B接口延迟可能介于四至二、三十个频率周期。

尽管多数系统设计人员乐于采用JESD204B接口，实现确定性延迟或印刷电路板路简化，但有些应用却无法应付额外延迟，如控制线路、电子反制，可接受的系统往返延迟极低。JESD204B接口可能增加诸多延迟，实际使用时更可能增加四倍。在接收路径上，数据得先解序列，才能够处理，传输侧亦同，数据得先在处理器/FPGA排序后至DAC内再次解序列(图2)。

 

图2 系统内含JESD204B接口的接收与传输路径范例。

考虑到JESD204B未必适合所有应用，半导厂遂推出不同版本的高速数据转换器，一者使用最新JESD204B接口，另一者维持传统LVDS接口，方便系统设计师自由选择，可运用JESD204B接口简化电路板设计，亦可以LVDS接口缩短延迟。