高精度ADC電路板布局與布線案例

在設(shè)計(jì)一個(gè)高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，勤奮的工程師仔細(xì)選擇一款高精度ADC，以及模擬前端調(diào)節(jié)電路所需的其他組件。在幾個(gè)星期的設(shè)計(jì)工作之后，執(zhí)行仿真并優(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，第一個(gè)原型電路板被測(cè)試。出乎預(yù)料，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)期的性能十分重要。當(dāng)設(shè)計(jì)包含混合信號(hào)器件的電路時(shí)，你應(yīng)該始終從良好的接地安排入手，并且使用最佳組件放置位置和信號(hào)路由走線將設(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)電壓的一個(gè)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，其原因是基準(zhǔn)引腳上會(huì)有一個(gè)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，其中的ADC內(nèi)部電容器陣列在這個(gè)位置位時(shí)被開啟和充電?；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。此旁路電容器被用作一個(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。你應(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他們連接在一起。

圖2 顯示了針對(duì)ADS7851，14位雙ADC(具有兩個(gè)獨(dú)立電壓基準(zhǔn))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)人員使用了一個(gè)位于器件正下方的堅(jiān)固接地平面，并且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)，尺寸0805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)電阻的器件上，以保持總體低阻抗和高頻時(shí)的恒定阻抗;他還使用寬跡線來(lái)減少電感。

我強(qiáng)烈建議把CREF與ADC放置在同一層上。你還應(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)接地引腳都具有一個(gè)單獨(dú)的接地連接，而每個(gè)旁路電容器都有單獨(dú)到接地路徑的電感連接。

如果你正在使用需要一個(gè)外部基準(zhǔn)源的ADC，你應(yīng)該盡量減少參考信號(hào)路徑中的電感-這個(gè)路徑的起點(diǎn)為基準(zhǔn)緩沖器輸出到旁路電容器，直到ADC基準(zhǔn)輸入。

圖3顯示了使用外部基準(zhǔn)和緩沖器的一個(gè)18位SAR ADC ADS8881的布局布線示例。

圖3. 具有一個(gè)外部基準(zhǔn)和緩沖的ADC布局布線示例

通過(guò)將電容器放置在引腳的0.1英寸范圍以內(nèi)，并且將其與寬度為20密耳的跡線和多個(gè)尺寸為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少于2nH的水平上。我推薦使用一個(gè)額定電壓至少為10V的單個(gè)、10uF，X7R級(jí)，尺寸0805的陶瓷電容器。

基準(zhǔn)緩沖器電路到REF引腳的跡線長(zhǎng)度被保持盡可能的短，以確保快速穩(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。