高速PCB布局：高速差分ADC驅動器軌至軌和軌至地旁路電容器布置方案

概述

PCB布局是優(yōu)化高速板的線性性能時的關鍵因素。本系列中的前幾篇文章討論了減少二次諧波失真的一些基本技術。本文受TI文檔“高速PCB布局技術”的啟發(fā)，試圖詳細討論應如何在高速差分ADC驅動器中布置軌至軌和軌至地旁路電容器，以實現(xiàn)以下目標：最大可能的線性性能。

使用單端運算放大器的差分ADC驅動器

如圖1所示，可以通過采用兩個單端運算放大器來實現(xiàn)差分ADC驅動器。

圖1.使用兩個相同的單端運算放大器來實現(xiàn)差分ADC驅動器

將差分信號施加到這些相同的路徑后，各個運算放大器將產(chǎn)生相同的二次諧波分量。這些失真分量將在ADC輸入端顯示為共模信號，就像其他任何共模噪聲和干擾信號一樣，將被差分ADC抑制。

在上一篇文章中，我們討論了需要對稱的PCB布局以保持兩條單端路徑相同并衰減二次諧波。在本文中，我們將討論如何布置運算放大器的去耦電容器，以實現(xiàn)最大可能的線性性能。

我們知道，去耦電容器充當電荷源，并提供運算放大器應傳遞給負載的高頻電流。為了提供高頻差分電流，我們可以使用軌對地和軌對軌去耦電容器。

軌到軌與軌到地去耦結構

采用圖1所示的結構，輸送到負載的電流是差分的，即，當上部運算放大器向負載提供電流時，下部分支吸收電流，反之亦然。讓我們考慮上級運算放大器提供負載電流而下級路徑吸收負載電流的情況。圖2顯示了軌對地和軌對軌去耦選項以及電流路徑。請注意，在該圖中，為簡單起見未顯示放大級的電阻。此外，我們假設使用具有專用接地層的多層板。

圖2.軌對地（a）和軌對軌（b）去耦結構

采用軌至地去耦結構（圖2（a）），高頻電流將從正軌的旁路電容器（C旁路1）流向負載，然后流向負軌的旁路電容器。（C旁路2），如藍色箭頭所示。電路原理圖暗示節(jié)點A和B都處于地平面，藍色箭頭所示的路徑是電流的閉合路徑。但是，實際上，節(jié)點A和B是接地平面上的兩個不同的節(jié)點，并且電流應從節(jié)點B流向節(jié)點A以具有閉合的電流路徑。因此，負載電流將流經(jīng)接地平面提供的最小阻抗的路徑，流回C旁路1的接地側。

這種結構的挑戰(zhàn)在于，在接地平面中流動的，足夠接近負載電流返回路徑的任何電流都可以與負載電流耦合并改變負載電流。此外，如果負載電流返回路徑從節(jié)點B到A經(jīng)歷任何不對稱，則ADC驅動器的單端路徑之間的對稱性將受到影響，并且ADC輸入端將出現(xiàn)較大的二次諧波。

為了避免這些問題，可以在兩個電源軌之間放置一個旁路電容器時采用圖2（b）中的去耦結構。這樣，差分負載電流將遵循藍色箭頭所示的路徑，并且不必流經(jīng)接地層。根據(jù)TI文檔，軌到軌旁路電容器可以將二次諧波失真降低6至10dB。請注意，為了在相反方向上提供差分負載電流，我們需要包括另一個軌至軌旁路電容器（Cpass4），如下圖3所示。

圖3C旁路4提供的負載電流路徑由藍色箭頭表示。

那么共模電流呢？

采用圖1所示的結構，運算放大器提供的電流主要是差分的，并且可以由軌至軌去耦電容器提供。但是，我們仍然可以使用較小的共模電流分量。例如，假設噪聲成分耦合到兩個運算放大器的同相輸入，并稍微提高這些節(jié)點的電壓。這將產(chǎn)生從兩個運放流出的共模電流。如圖4所示，這樣的共模電流將為PCB走線的雜散電容充電。

圖4

請注意，軌到軌旁路電容器無法提供這些共模電流。在圖4中，運算放大器必須直接通過電源和接地導體提供高頻共模電流分量，這是不希望的。因此，我們需要添加軌到地旁路電容器，如圖5所示。

圖5

如您所見，從兩個運放流出的共模電流將由正極和地之間的旁路電容器（C旁路5和C旁路7）提供。該共模電流將為走線的寄生電容充電。因此，返回電流將從寄生電容的接地側流回到接地平面中的C旁路5和C旁路7的接地側。類似地，兩個運算放大器吸收的共模電流將由位于負電源線和地之間的旁路電容器（C旁路6和C旁路8）提供。

軌至地電容可提供共模電流和差分電流

雖然我們添加了C旁路5，C旁路6，C旁路7和C旁路8來提供共模電流，但這些電容器還將提供負載的高頻差分電流的一部分。如圖2（a）所示，使用軌到地電容器會不必要地使差分負載電流流過接地層，這是不希望的。為避免這種情況，我們可以放置可對稱地提供差分電流的軌至地旁路電容器，并將它們之間的走線在中點接地。最好在圖6中以圖形方式說明。

圖6

上圖顯示了高端運算放大器提供負載電流而下部路徑吸收負載電流的情況。在這種情況下，C旁路5和C旁路8可以提供一部分負載差分電流。為了防止差動電流流過接地層，我們通過板信號層上的PCB走線將C旁路5和C旁路8的接地側連接在一起，并將該走線在中點接地（圖中的節(jié)點A）。對于差分信號，理論上節(jié)點A應該是虛擬接地，并且差分電流不應流入接地層（對于差分負載電流，Iground= 0）。同樣，我們放置C旁路6和C旁路7彼此對稱，并將兩個電容器之間的走線在中點接地。您可以在TI應用報告中找到采用上述技術的布局示例。

最后，值得一提的是，這些技術也適用于基于全差分運算放大器的ADC驅動器。有關更多信息，請參考我上面提到的TI文檔。

結論

為了從差分ADC驅動器提取最大線性性能，我們需要對稱的PCB布局。采用軌到軌旁路電容器作為高頻差分電流的主要電荷源，可以將二次諧波分量降低6至10dB。我們仍然需要軌至地旁路電容器來提供共模電流。由于這些電容器還可以提供一部分負載差分電流，因此我們需要對稱地布置它們，以使差分負載電流不會流入接地層。
編輯：hfy