關(guān)于SAR、ADC、PCB布局布線參考指南

在設(shè)計(jì)高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，勤奮的工程師仔細(xì)選擇高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及模擬前端調(diào)節(jié)電路所需的其他元件。在幾個(gè)星期的設(shè)計(jì)工作之后，執(zhí)行模擬并優(yōu)化電路原理圖，為了趕工期，設(shè)計(jì)人員迅速地將電路板布局布線組合在一起。一個(gè)星期之后，對(duì)第一個(gè)原型電路板進(jìn)行測(cè)試。出乎預(yù)料的是，電路板性能與預(yù)期的不一樣。

這種情景在你身上發(fā)生過(guò)嗎？

最優(yōu)PCB布局布線對(duì)于使ADC達(dá)到預(yù)期的性能至關(guān)重要。當(dāng)設(shè)計(jì)包含混合信號(hào)器件的電路時(shí)，應(yīng)該始終從良好的接地安排入手，并且使用最佳元件放置位置和信號(hào)走線將設(shè)計(jì)分為模擬、數(shù)字和電源部分。

參考路徑是ADC布局布線中最關(guān)鍵的，這是因?yàn)樗修D(zhuǎn)換都是基準(zhǔn)電壓的函數(shù)。在傳統(tǒng)逐次逼近寄存器 (SAR) ADC架構(gòu)中，參考路徑也是最敏感的，因?yàn)榛鶞?zhǔn)引腳上有到基準(zhǔn)源的動(dòng)態(tài)負(fù)載。

由于基準(zhǔn)電壓在每次轉(zhuǎn)換期間被數(shù)次采樣，高電流瞬變出現(xiàn)在這個(gè)終端上，其中ADC內(nèi)部電容器陣列在這個(gè)位置位時(shí)被開(kāi)啟和充電?；鶞?zhǔn)電壓在每個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期內(nèi)必須保持穩(wěn)定，并且穩(wěn)定至所需的N位分辨率，否則的話(huà)會(huì)出現(xiàn)線性誤差和丟碼錯(cuò)誤。

圖1顯示典型12位SAR ADC基準(zhǔn)終端上的轉(zhuǎn)換階段期間的電流瞬變。

圖1. 12位SAR ADC基準(zhǔn)引腳上的電流瞬變

由于這些動(dòng)態(tài)電流，需要使用高質(zhì)量旁路電容器(CREF)對(duì)基準(zhǔn)引腳進(jìn)行去耦合操作。此旁路電容器用作一個(gè)電荷存儲(chǔ)器，在這些高頻瞬變電流期間提供瞬時(shí)充電。應(yīng)該將基準(zhǔn)旁路電容器放置在盡量靠近基準(zhǔn)引腳的位置上，并使用較短的低電感連接將它們連接在一起。

圖2為有兩個(gè)獨(dú)立內(nèi)部電壓基準(zhǔn)的14位雙ADCADS7851的電路板布局布線示例。

圖2.具有兩個(gè)獨(dú)立內(nèi)部電壓基準(zhǔn)的雙ADC布局布線示例

在這個(gè)四層PCB電路板示例中，設(shè)計(jì)人員使用了位于元件正下方的堅(jiān)固接地平面，并將電路板劃分為模擬和數(shù)字部分，以使敏感輸入和基準(zhǔn)信號(hào)遠(yuǎn)離噪聲源。他用10μF，X7R級(jí)，0805尺寸的陶瓷電容器 (CREF-x) 來(lái)旁路REFOUT-A和REFOUT-B基準(zhǔn)輸出，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能，并且將他們連接至使用小型0.1 ?串聯(lián)電阻的元件上，以保持總體阻抗高頻時(shí)較低且恒定。他還使用寬跡線來(lái)減少電感。

我強(qiáng)烈建議把CREF與ADC放在同一層上。還應(yīng)該避免在基準(zhǔn)引腳和旁路電容器之間放置導(dǎo)孔。ADS7851的每一個(gè)基準(zhǔn)接地引腳都有單獨(dú)的接地連接，而每個(gè)旁路電容器都有到接地路徑的低電感連接。

如果你正在使用需要外部基準(zhǔn)源的ADC，你應(yīng)該盡量降低參考信號(hào)路徑中的電感——從基準(zhǔn)緩沖器輸出到旁路電容器，到ADC基準(zhǔn)輸入。

圖3為使用外部基準(zhǔn)和緩沖器的18位SAR ADCADS8881的布局布線示例。通過(guò)將電容器放置在引腳的0.1英寸范圍以?xún)?nèi)，并且將其與寬度為20密耳的跡線和多個(gè)15密耳的接地導(dǎo)孔相連，設(shè)計(jì)人員將基準(zhǔn)電容器和REF引腳之間的電感保持在小于2nH的水平上。我推薦使用額定電壓至少為10V的單個(gè)，10uF，X7R級(jí)，0805尺寸的陶瓷電容器。

基準(zhǔn)緩沖器電路到REF引腳的跡線長(zhǎng)度保持為盡可能的短，以確?？焖俜€(wěn)定響應(yīng)。

REF引腳的正確去耦合對(duì)于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能十分關(guān)鍵。此外，在參考路徑中保持低電感連接使得基準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電路在轉(zhuǎn)換期間保持穩(wěn)定，使你向獲得所需的效果又邁進(jìn)了一步。

圖3.具有外部基準(zhǔn)和緩沖器的ADC布局布線示例