一個(gè)新的轉(zhuǎn)換器接口正在穩(wěn)步發(fā)展，并有望成為未來轉(zhuǎn)換器的首選協(xié)議。這個(gè)新接口JESD204最初是在幾年前推出的，但經(jīng)過了修訂，使其成為更具吸引力和效率的轉(zhuǎn)換器接口。隨著轉(zhuǎn)換器分辨率和速度的提高，對(duì)更高效接口的需求也在增長(zhǎng)。JESD204接口帶來了這種效率，在速度、尺寸和成本方面，與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和低壓差分信號(hào)（LVDS）前代產(chǎn)品相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。采用JESD204的設(shè)計(jì)具有更快的接口優(yōu)勢(shì)，可以跟上轉(zhuǎn)換器更快的采樣速率。此外，引腳數(shù)量減少，導(dǎo)致封裝尺寸更小，走線路徑數(shù)量更少，從而使電路板設(shè)計(jì)更加容易，并降低整體系統(tǒng)成本。該標(biāo)準(zhǔn)還易于擴(kuò)展，因此可以進(jìn)行調(diào)整以滿足未來的需求。該標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)歷的兩次修訂已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。JESD204標(biāo)準(zhǔn)自2006年推出以來已經(jīng)進(jìn)行了兩次修訂，目前處于修訂版B。隨著越來越多的轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商和用戶以及FPGA制造商采用該標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到改進(jìn)，并添加了新功能，從而提高了效率和易于實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)適用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），主要用作FPGA的通用接口（但也可以與ASIC一起使用）。

JESD204—這是什么？

2006年4月，JESD204的原始版本發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)描述了轉(zhuǎn)換器和接收器之間的多千兆串行數(shù)據(jù)鏈路，通常是FPGA或ASIC等器件。在JESD204的原始版本中，串行數(shù)據(jù)鏈路定義為一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器與接收器之間的單個(gè)串行通道。圖 1 提供了圖形表示。所示通道是M個(gè)轉(zhuǎn)換器和接收器之間的物理接口，由利用電流模式邏輯（CML）驅(qū)動(dòng)器和接收器的差分互連對(duì)組成。所示鏈路是在轉(zhuǎn)換器和接收器之間建立的串行數(shù)據(jù)鏈路。幀時(shí)鐘路由到轉(zhuǎn)換器和接收器，并為器件之間的JESD204鏈路提供時(shí)鐘。

圖1.JESD204原始標(biāo)準(zhǔn)。

通道數(shù)據(jù)速率定義為每秒 312.5 兆比特 （Mbps） 和每秒 3.125 千兆比特 （Gbps），源阻抗和負(fù)載阻抗均定義為 100 Ω ±20%。差分電壓電平定義為標(biāo)稱值為800 mV峰峰值，共模電壓電平范圍為0.72 V至1.23 V。該鏈路采用包含嵌入式時(shí)鐘的8b/10b編碼，消除了路由額外時(shí)鐘線的必要性，也消除了在高數(shù)據(jù)速率下將附加時(shí)鐘信號(hào)與傳輸數(shù)據(jù)對(duì)齊的相關(guān)復(fù)雜性。很明顯，隨著JESD204標(biāo)準(zhǔn)開始普及，該標(biāo)準(zhǔn)需要修訂，以支持具有多個(gè)轉(zhuǎn)換器的多個(gè)對(duì)齊串行通道，以適應(yīng)轉(zhuǎn)換器速度和分辨率的提高。

這一認(rèn)識(shí)導(dǎo)致了JESD204標(biāo)準(zhǔn)的第一次修訂，即JESD204A。該標(biāo)準(zhǔn)的修訂增加了支持具有多個(gè)轉(zhuǎn)換器的多個(gè)對(duì)齊串行通道的能力。支持312.5 Mbps至3.125 Gbps的通道數(shù)據(jù)速率保持不變，幀時(shí)鐘和電氣接口規(guī)格也保持不變。通過提高標(biāo)準(zhǔn)支持多個(gè)對(duì)齊串行通道的功能，具有高采樣速率和高分辨率的轉(zhuǎn)換器能夠滿足3.125 Gbps的最大支持?jǐn)?shù)據(jù)速率。 圖2顯示了JESD204A修訂版中為支持多通道而添加的附加功能的圖形表示。

圖2.第一次修訂—JESD204A。

盡管最初的JESD204標(biāo)準(zhǔn)和修訂后的JESD204A標(biāo)準(zhǔn)都比傳統(tǒng)接口具有更高的性能，但它們?nèi)匀蝗狈﹃P(guān)鍵要素。這個(gè)缺失的元素是鏈路上序列化數(shù)據(jù)中的確定性延遲。處理轉(zhuǎn)換器時(shí)，重要的是要知道采樣信號(hào)與其數(shù)字表示之間的時(shí)序關(guān)系，以便在接收到信號(hào)后在模擬域中正確重建采樣信號(hào)（當(dāng)然，這種情況對(duì)于ADC來說也是如此，DAC的情況類似）。這種時(shí)序關(guān)系受轉(zhuǎn)換器延遲的影響，對(duì)于ADC而言，延遲定義為輸入信號(hào)采樣邊沿時(shí)刻與其數(shù)字表示出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器輸出端之間的時(shí)鐘周期數(shù)。類似地，在DAC中，延遲定義為從數(shù)字信號(hào)時(shí)鐘進(jìn)入DAC到模擬輸出開始變化之間的時(shí)鐘周期數(shù)。在JESD204和JESD204A標(biāo)準(zhǔn)中，沒有定義功能來確定轉(zhuǎn)換器及其串行數(shù)字輸入/輸出的延遲。此外，轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率都在不斷提高。這些因素導(dǎo)致了該標(biāo)準(zhǔn)的第二次修訂版JESD204B的引入。

2011年7月，該標(biāo)準(zhǔn)的第二次也是當(dāng)前修訂版JESD204B發(fā)布。修訂后的標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵組成部分之一是增加了實(shí)現(xiàn)確定性延遲的規(guī)定。此外，支持的數(shù)據(jù)速率被推高到12.5 Gbps，細(xì)分為不同的設(shè)備速度等級(jí)。此標(biāo)準(zhǔn)修訂版要求從使用幀時(shí)鐘作為主時(shí)鐘源過渡到使用設(shè)備時(shí)鐘作為主時(shí)鐘源。圖3顯示了JESD204B版本添加的其他功能。

圖3.第二個(gè)（當(dāng)前）修訂版 — JESD204B。

在JESD204標(biāo)準(zhǔn)的前兩個(gè)版本中，沒有定義任何規(guī)定來確保通過接口的確定性延遲。JESD204B修訂版通過提供一種機(jī)制來解決這個(gè)問題，以確保從上電周期到上電周期以及跨鏈路重新同步事件，延遲應(yīng)該是可重復(fù)和確定的。實(shí)現(xiàn)此目的的一種方法是，通過使用稱為SYNC~的輸入信號(hào)，在明確定義的時(shí)刻同時(shí)在所有通道上啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器中的初始通道對(duì)齊序列。另一種實(shí)現(xiàn)方式是使用SYSREF信號(hào)，這是JESD204B新定義的信號(hào)。SYSREF信號(hào)充當(dāng)主定時(shí)參考，并對(duì)齊來自器件時(shí)鐘的所有內(nèi)部分頻器以及每個(gè)發(fā)射器和接收器中的本地多幀時(shí)鐘。這有助于確保通過系統(tǒng)的確定性延遲。JESD204B規(guī)范列出了三個(gè)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可以簡(jiǎn)單地與JESD204A鏈路進(jìn)行比較。子類 1 主要用于工作在 500 MSPS 或高于 500 MSPS 的轉(zhuǎn)換器，而子類 2 主要用于工作在 500 MSPS 以下的轉(zhuǎn)換器。

除了確定性延遲外，JESD204B版本還將支持的通道數(shù)據(jù)速率提高到12.5 Gbps，并將設(shè)備分為三種不同的速度等級(jí)。對(duì)于定義為 100 Ω ±20% 的所有三個(gè)速度等級(jí)，源阻抗和負(fù)載阻抗相同。第一個(gè)速度等級(jí)與JESD204和JESD204A版本的通道數(shù)據(jù)速率一致，并定義了高達(dá)3.125 Gbps的通道數(shù)據(jù)速率的電氣接口。JESD204B中的第二個(gè)速度等級(jí)定義了高達(dá)6.375 Gbps的通道數(shù)據(jù)速率的電氣接口。該速度等級(jí)將最小差分電壓電平從第一個(gè)速度等級(jí)的峰峰值降至400 mV。JESD204B中的第三級(jí)速度定義了高達(dá)12.5 Gbps的通道數(shù)據(jù)速率的電氣接口。該速度等級(jí)將電氣接口所需的最小差分電壓電平降低到360 mV峰峰值。隨著速度等級(jí)的通道數(shù)據(jù)速率增加，所需的最小差分電壓電平降低，通過降低驅(qū)動(dòng)器所需的壓擺率，使物理實(shí)現(xiàn)更容易。

為了提供更大的靈活性，JESD204B版本從幀時(shí)鐘過渡到器件時(shí)鐘。以前，在JESD204和JESD204A修訂版中，幀時(shí)鐘是JESD204系統(tǒng)中的絕對(duì)時(shí)序參考。通常，轉(zhuǎn)換器的幀時(shí)鐘和采樣時(shí)鐘是相同的。這并沒有提供很大的靈活性，并且在嘗試將同一信號(hào)路由到多個(gè)設(shè)備并考慮不同路由路徑之間的任何偏差時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不必要的復(fù)雜性。在JESD204B中，器件時(shí)鐘是JESD204系統(tǒng)中每個(gè)元件的時(shí)序參考。每個(gè)轉(zhuǎn)換器和接收器都從時(shí)鐘發(fā)生器電路獲得各自的設(shè)備時(shí)鐘，該時(shí)鐘發(fā)生器電路負(fù)責(zé)從公共源生成所有設(shè)備時(shí)鐘。這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性，但需要為給定設(shè)備指定幀時(shí)鐘和設(shè)備時(shí)鐘之間的關(guān)系。

JESD204—我們?yōu)槭裁匆P(guān)注它？

就像LVDS幾年前開始取代CMOS成為轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口的首選技術(shù)一樣，JESD204也有望在未來幾年走上類似的道路。雖然CMOS技術(shù)今天仍然徘徊，但它大多已被LVDS取代。轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率以及對(duì)低功耗的渴望最終使CMOS和LVDS不足以滿足轉(zhuǎn)換器的需求。隨著CMOS輸出端數(shù)據(jù)速率的增加，瞬態(tài)電流也會(huì)增加，從而導(dǎo)致更高的功耗。雖然LVDS的電流和功耗保持相對(duì)平穩(wěn)，但該接口具有可以支持的速度上限。

這是由于驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)以及必須全部同步到數(shù)據(jù)時(shí)鐘的大量數(shù)據(jù)線。圖4顯示了雙通道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(dòng)器功耗比較。

在大約150 MSPS至200 MSPS和14位分辨率下，CML輸出驅(qū)動(dòng)器在功耗方面開始變得更加高效。由于數(shù)據(jù)的序列化，CML具有以下優(yōu)點(diǎn)：與LVDS和CMOS驅(qū)動(dòng)器相比，每個(gè)給定分辨率所需的輸出對(duì)更少。為JESD204B接口指定的CML驅(qū)動(dòng)器具有額外的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵撘?guī)范要求隨著采樣速率的增加和輸出線路速率的提高而降低峰峰值電壓電平。

相同的轉(zhuǎn)換器分辨率和采樣率所需的引腳數(shù)量也大大減少。表1顯示了使用具有不同通道數(shù)和位分辨率的200 MSPS轉(zhuǎn)換器的三種不同接口的引腳數(shù)。對(duì)于CMOS和LVDS輸出，數(shù)據(jù)假定每個(gè)通道的數(shù)據(jù)具有同步時(shí)鐘，對(duì)于使用CML輸出的JESD204B數(shù)據(jù)傳輸，最大數(shù)據(jù)速率為4.0 Gbps。使用CML驅(qū)動(dòng)器發(fā)展到JESD204B的原因在查看此表并觀察到引腳數(shù)的大幅減少時(shí)變得顯而易見。

作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，ADI公司已經(jīng)看到了將轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口推向JEDEC定義的JESD204接口的趨勢(shì)。ADI公司從一開始就參與了該標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)時(shí)發(fā)布了第一個(gè)JESD204規(guī)范。迄今為止，ADI公司已經(jīng)發(fā)布了幾款具有JESD204和JESD204A兼容輸出的轉(zhuǎn)換器，目前正在開發(fā)輸出與JESD204B兼容的產(chǎn)品。AD9639是一款四通道、12位170 MSPS/210 MSPS ADC，具有JESD204接口。AD9644和AD9641分別是14位80 MSPS/155 MSPS雙通道和單通道ADC，具有JESD204A接口。從DAC的角度來看，最近發(fā)布的AD9128是一款雙通道16位1.25 GSPS DAC，具有JESD204A接口。有關(guān)ADI公司在JESD204方面工作的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問 analog.com/jesd204。

隨著轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率的提高，對(duì)更高效的數(shù)字接口的需求也在增加。業(yè)界通過JESD204串行數(shù)據(jù)接口開始實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。接口規(guī)范不斷發(fā)展，為轉(zhuǎn)換器和FPGA（或ASIC）之間傳輸數(shù)據(jù)提供了一種更好、更快捷的方式。該接口經(jīng)歷了兩次修訂，以改進(jìn)其實(shí)現(xiàn)并滿足更高速度和更高分辨率轉(zhuǎn)換器帶來的日益增長(zhǎng)的需求。展望轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口的未來，很明顯，JESD204有望成為轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口的行業(yè)選擇。每次修訂都滿足了改進(jìn)其實(shí)施的要求，并允許標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展以滿足轉(zhuǎn)換器技術(shù)變化帶來的新要求。隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，轉(zhuǎn)換器性能越來越高，JESD204標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該能夠適應(yīng)和發(fā)展，以繼續(xù)滿足必要的新設(shè)計(jì)要求。

審核編輯：郭婷