CMOS數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器

在采樣速率低于200 MSPS的ADC中,，CMOS是很常見(jiàn)的數(shù)字輸出,。典型的CMOS驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)晶體管（一個(gè)NMOS和一個(gè)PMOS）組成，連接在電源(VDD)和地之間,，如圖1a所示,。這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致輸出反轉(zhuǎn)，因此,，可以采用圖1b所示的背對(duì)背結(jié)構(gòu)作為替代方法,，避免輸出反轉(zhuǎn)。輸出為低阻抗時(shí),，CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器的輸入為高阻抗,。在驅(qū)動(dòng)器的輸入端,，由于柵極與導(dǎo)電材料之間經(jīng)柵極氧化層隔離，兩個(gè)CMOS晶體管的柵極阻抗*,。輸入端阻抗范圍可達(dá)k?至M?級(jí),。在驅(qū)動(dòng)器輸出端，阻抗由漏電流ID控制,，該電流通常較小,。此時(shí)，阻抗通常小于幾百?,。CMOS的電平擺幅大約在VDD和地之間,，因此可能會(huì)很大，具體取決于VDD幅度,。

由于輸入阻抗較高,，輸出阻抗較低，CMOS的優(yōu)勢(shì)之一在于通?？梢杂靡粋€(gè)輸出驅(qū)動(dòng)多個(gè)CMOS輸入,。CMOS的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是低靜態(tài)電流。出現(xiàn)較大電流的情況是CMOS驅(qū)動(dòng)器上發(fā)生切換時(shí),。無(wú)論驅(qū)動(dòng)器處于低電平（拉至地）還是高電平（拉至VDD）,，驅(qū)動(dòng)器中的電流都極小。但是,，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器從低電平切換到高電平或從高電平切換到低電平時(shí),，VDD與地之間會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)低阻抗路徑。該瞬態(tài)電流是轉(zhuǎn)換器速度超過(guò)200 MSPS時(shí),，輸出驅(qū)動(dòng)器采用其他技術(shù)的主要原因,。

轉(zhuǎn)換器的每一位也都需要CMOS驅(qū)動(dòng)器。如果轉(zhuǎn)換器有14位,，就需要14個(gè)CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器來(lái)傳輸這些位,。一般會(huì)有一個(gè)以上的轉(zhuǎn)換器置于單個(gè)封裝中，常見(jiàn)為八個(gè),。采用CMOS技術(shù)時(shí),，意味著數(shù)據(jù)輸出需要高達(dá)112個(gè)輸出引腳。從封裝角度來(lái)看,，這不太可能實(shí)現(xiàn),，而且還會(huì)產(chǎn)生高功耗，并使電路板布局變得更加復(fù)雜,。為了解決這些問(wèn)題,，我們引入了使用LVDS的接口。

圖1 典型CMOS數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器

LVDS數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器

與CMOS技術(shù)相比，LVDS具備一些明顯優(yōu)勢(shì),。它可以在低電壓信號(hào)（約350 mV）下工作,，并且為差分而非單端。低壓擺幅具有較快的切換時(shí)間,，可以減少EMI問(wèn)題,。差分這一特性可以帶來(lái)共模抑制的好處。這意味著耦合到信號(hào)的噪聲對(duì)兩個(gè)信號(hào)路徑均為共模,，大部分都可被差分接收器消除,。LVDS中的阻抗必須更加嚴(yán)格控制。在LVDS中,，負(fù)載阻抗應(yīng)約為100 ?,，通常通過(guò)LVDS接收器上的并聯(lián)端接電阻實(shí)現(xiàn)。此外,，LVDS信號(hào)還應(yīng)采用受控阻抗傳輸線(xiàn)進(jìn)行傳輸,。差分阻抗保持在100 ?時(shí)，所需的單端阻抗為50 ?,。圖2所示為典型LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器,。

如圖2中LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所示，電路工作時(shí)輸出電源會(huì)產(chǎn)生固定的直流負(fù)載電流,。這可以避免輸出邏輯狀態(tài)躍遷時(shí)典型CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器中出現(xiàn)的電流尖峰。電路中的標(biāo)稱(chēng)源電流/吸電流設(shè)為3.5 mA,，使得端接電阻100 ?時(shí)典型輸出電壓擺幅為350 mV,。電路的共模電平通常設(shè)為1.2 V，兼容3.3 V,、2.5V和1.8 V電源電壓,。

有兩種書(shū)面標(biāo)準(zhǔn)可用來(lái)定義LVDS接口。常用的標(biāo)準(zhǔn)是ANSI/TIA/EIA-644規(guī)格,，標(biāo)題為《低壓差分信號(hào)(LVDS)接口電路的電氣特性》,。另一種是IEEE標(biāo)準(zhǔn)1596.3，標(biāo)題為《可擴(kuò)展一致性接口(SCI)的低壓差分信號(hào)IEEE標(biāo)準(zhǔn)》,。

LVDS需要特別注意信號(hào)路由的物理布局,，但在采樣速率達(dá)到200 MSPS或更高時(shí)可以為轉(zhuǎn)換器提供許多優(yōu)勢(shì)。LVDS的恒定電流使得可以支持許多輸出,，無(wú)需CMOS要求的大量電流吸取,。此外，LVDS還能以雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)模式工作,，其中兩個(gè)數(shù)據(jù)位可以通過(guò)同一個(gè)LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器,。與CMOS相比，可以減少一半的引腳數(shù)。此外,，還降低了等量數(shù)據(jù)輸出的功耗,。對(duì)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出而言，LVDS確實(shí)相比CMOS具有諸多優(yōu)勢(shì),，但也和CMOS一樣存在一些限制,。隨著轉(zhuǎn)換器分辨率的增加，LVDS接口所需的數(shù)據(jù)輸出量會(huì)變得更難針對(duì)PCB布局進(jìn)行管理,。另外,，轉(zhuǎn)換器的采樣率最終會(huì)使接口所需的數(shù)據(jù)速率超出LVDS的能力。

圖2 典型LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器

CML輸出驅(qū)動(dòng)器

轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸出接口的趨勢(shì)是使用具有電流模式邏輯(CML)輸出驅(qū)動(dòng)器的串行接口,。通常,，高分辨率（≥14位）、高速(≥200 Msps)和需要小型封裝與低功耗的轉(zhuǎn)換器會(huì)使用這些類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器,。CML輸出驅(qū)動(dòng)器用在JESD204接口,，這種接口目前用于轉(zhuǎn)換器。采用具有JESD204接口的CML驅(qū)動(dòng)器后,，轉(zhuǎn)換器輸出端的數(shù)據(jù)速率可達(dá)12 Gbps（當(dāng)前版本JESD204B規(guī)格）,。此外，需要的輸出引腳數(shù)也會(huì)大幅減少,。時(shí)鐘內(nèi)置于8b/10b編碼數(shù)據(jù)流,，因此無(wú)需傳輸獨(dú)立時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)據(jù)輸出引腳數(shù)量也得以減少,，最少只需兩個(gè),。隨著轉(zhuǎn)換器的分辨率、速度和通道數(shù)的增加,，數(shù)據(jù)輸出引腳數(shù)可能會(huì)相應(yīng)調(diào)整,，以滿(mǎn)足所需的更高吞吐量。但是,，由于使用CML驅(qū)動(dòng)器采用的接口通常是串行接口,，引腳數(shù)的增加與CMOS或LVDS相比要少得多（在CMOS或LVDS中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)，需要的引腳數(shù)多得多）,。

CML驅(qū)動(dòng)器用于串行數(shù)據(jù)接口,，因此，所需引腳數(shù)要少得多,。圖3所示為用于具有JESD204接口或類(lèi)似數(shù)據(jù)輸出的轉(zhuǎn)換器的典型CML驅(qū)動(dòng)器,。該圖顯示了CML驅(qū)動(dòng)器典型架構(gòu)的一般情況。其顯示可選源終端電阻和共模電壓,。電路的輸入可將開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)至電流源,，電流源則將適當(dāng)?shù)倪壿嬛凋?qū)動(dòng)至兩個(gè)輸出端,。

CML驅(qū)動(dòng)器類(lèi)似于LVDS驅(qū)動(dòng)器，以恒定電流模式工作,。這也使得CML驅(qū)動(dòng)器在功耗方面具備一定優(yōu)勢(shì),。在恒定電流模式下工作需要較少的輸出引腳，總功耗會(huì)降低,。與LVDS一樣,，CML也需要負(fù)載端接、單端阻抗為50 ?的受控阻抗傳輸線(xiàn)路,，以及100 ?的差分阻抗,。驅(qū)動(dòng)器本身也可能具有如圖3所示的端接，對(duì)因高帶寬信號(hào)靈敏度引起的信號(hào)反射有所幫助,。對(duì)采用JESD204標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換器而言,，差分和共模電平均存在不同規(guī)格，具體取決于工作速度,。工作速度高達(dá)6.375 Gbps,，差分電平標(biāo)稱(chēng)值為800 mV，共模電平約為1.0 V,。在高于6.375 Gbps且低于12.5 Gbps的速度下工作時(shí),，差分電平額定值為400 mV，共模電平仍約為1.0 V,。隨著轉(zhuǎn)換器速度和分辨率增加,，CML輸出需要合適類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器提供必要速度，以滿(mǎn)足各種應(yīng)用中轉(zhuǎn)換器的技術(shù)需求,。

圖3 典型CML輸出驅(qū)動(dòng)器

數(shù)字時(shí)序——需要注意的事項(xiàng)

每種數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器都有時(shí)序關(guān)系,，需要密切監(jiān)控。由于CMOS和LVDS有多種數(shù)據(jù)輸出,，因此必須注意信號(hào)的路由路徑，以盡量減小偏斜,。如果差別過(guò)大,，可能就無(wú)法在接收器上實(shí)現(xiàn)合適的時(shí)序。此外,，時(shí)鐘信號(hào)也需要通過(guò)路由傳輸,，并與數(shù)據(jù)輸出保持一致。時(shí)鐘輸出和數(shù)據(jù)輸出之間的路由路徑也必須格外注意,，以確保偏斜不會(huì)太大,。

在采用JESD204接口的CML中，還必須注意數(shù)字輸出之間的路由路徑,。需要管理的數(shù)據(jù)輸出大大減少,，因此,，這一任務(wù)比較容易完成，但也不能*忽略,。這種情況下,，由于時(shí)鐘內(nèi)置于數(shù)據(jù)中，因此無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)輸出和時(shí)鐘輸出之間的時(shí)序偏斜,。但是,，必須注意，接收器中要有合適的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路,。

除了偏斜之外,，還必須關(guān)注CMOS和LVDS的建立和保持時(shí)間。數(shù)據(jù)輸出必須在時(shí)鐘邊沿躍遷之前的充足時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)到適當(dāng)?shù)倪壿嫚顟B(tài),，并且必須在時(shí)鐘邊沿躍遷之后以這種邏輯狀態(tài)維持充足時(shí)間,。這可能會(huì)受到數(shù)據(jù)輸出和時(shí)鐘輸出之間偏斜的影響，因此,，保持良好的時(shí)序關(guān)系非常重要,。由于具有較低信號(hào)擺幅和差分信號(hào)，LVDS相比CMOS具有一定優(yōu)勢(shì),。和CMOS驅(qū)動(dòng)器一樣切換邏輯狀態(tài)時(shí),，LVDS輸出驅(qū)動(dòng)器無(wú)需將這樣的大信號(hào)驅(qū)動(dòng)至各種不同輸出，也不會(huì)從電源吸取大量電流,。因此,，它在切換邏輯狀態(tài)時(shí)不太可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。如果有許多CMOS驅(qū)動(dòng)器同時(shí)切換,，電源電壓可能會(huì)下降,，將正確的邏輯值驅(qū)動(dòng)到接收器時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。LVDS驅(qū)動(dòng)器會(huì)保持在恒定電流水平,，這一特別問(wèn)題就不會(huì)發(fā)生,。此外，由于采用了差分信號(hào),，LVDS驅(qū)動(dòng)器本身對(duì)共模噪聲的耐受能力也較強(qiáng),。CML驅(qū)動(dòng)器具有和LVDS同樣的優(yōu)勢(shì)。這些驅(qū)動(dòng)器也有恒定水平的電流,，但和LVDS不同的是,，由于數(shù)據(jù)為串行，所需電流值較小,。此外,，由于也采用了差分信號(hào)，CML驅(qū)動(dòng)器同樣對(duì)共模噪聲具有良好的耐受能力,。

隨著轉(zhuǎn)換器技術(shù)的發(fā)展,，速度和分辨率不斷增加,，數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器也不斷演變發(fā)展，以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸需求,。隨著轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字輸出接口轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)傳輸,，CML輸出越來(lái)越普及。但是,，目前的設(shè)計(jì)中仍然會(huì)用到CMOS和LVDS數(shù)字輸出,。每種數(shù)字輸出都有適合的應(yīng)用。每種輸出都面臨著挑戰(zhàn),，必須考慮到一些設(shè)計(jì)問(wèn)題,，且各有所長(zhǎng)。在采樣速度小于200 Msps的轉(zhuǎn)換器中,，CMOS仍然是一種合適的技術(shù),。當(dāng)采樣速率增加到200 MSPS以上時(shí)，與CMOS相比,，LVDS在許多應(yīng)用中更加可行,。為了進(jìn)一步增加效率、降低功耗,、減小封裝尺寸,，CML驅(qū)動(dòng)器可與JESD204之類(lèi)的串行數(shù)據(jù)接口配合使用。