如何在高速差分ADC驅(qū)動器中布置軌至軌和軌至地旁路電容器

概述

PCB布局是優(yōu)化高速板的線性性能時的關(guān)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(shù)。本文受TI文檔“高速PCB布局技術(shù)”的啟發(fā)，試圖詳細(xì)討論應(yīng)如何在高速差分ADC驅(qū)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(biāo)：最大可能的線性性能。

使用單端運算放大器的差分ADC驅(qū)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(qū)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(qū)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(dāng)電荷源，并提供運算放大器應(yīng)傳遞給負(fù)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(jié)構(gòu)

采用圖1所示的結(jié)構(gòu)，輸送到負(fù)載的電流是差分的，即，當(dāng)上部運算放大器向負(fù)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(fù)載電流而下級路徑吸收負(fù)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(shè)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(jié)構(gòu)

采用軌至地去耦結(jié)構(gòu)（圖2（a）），高頻電流將從正軌的旁路電容器（C旁路1）流向負(fù)載，然后流向負(fù)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(yīng)從節(jié)點B流向節(jié)點A以具有閉合的電流路徑。因此，負(fù)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(cè)。

這種結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)在于，在接地平面中流動的，足夠接近負(fù)載電流返回路徑的任何電流都可以與負(fù)載電流耦合并改變負(fù)載電流。此外，如果負(fù)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(qū)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(jié)構(gòu)。這樣，差分負(fù)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(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)，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?nèi)匀豢梢允褂幂^小的共模電流分量。例如，假設(shè)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(dǎo)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(cè)流回到接地平面中的C旁路5和C旁路7的接地側(cè)。類似地，兩個運算放大器吸收的共模電流將由位于負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載電流而下部路徑吸收負(fù)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(fù)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(cè)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(yīng)該是虛擬接地，并且差分電流不應(yīng)流入接地層（對于差分負(fù)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(yīng)用報告中找到采用上述技術(shù)的布局示例。

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

結(jié)論

為了從差分ADC驅(qū)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?nèi)匀恍枰壷恋嘏月冯娙萜鱽硖峁┕材ｋ娏?。由于這些電容器還可以提供一部分負(fù)載差分電流，因此我們需要對稱地布置它們，以使差分負(fù)載電流不會流入接地層。

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