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案例分享:高精度ADC電路板的布局與布線方案

發(fā)布時間:2016-10-28 責任編輯:sherry

【導讀】最優(yōu)PCB布局布線對于使ADC達到預期的性能十分重要。當設計包含混合信號器件的電路時,你應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路由走線將設計分為模擬、數字和電源部分。

在設計一個高性能數據采集系統(tǒng)時,勤奮的工程師仔細選擇一款高精度ADC,以及模擬前端調節(jié)電路所需的其他組件。在幾個星期的設計工作之后,執(zhí)行仿真并優(yōu)化電路原理圖,為了趕工期,設計人員迅速地將電路板布局布線組合在一起。一個星期之后,第一個原型電路板被測試。出乎預料,電路板性能與預期的不一樣。

最優(yōu)PCB布局布線對于使ADC達到預期的性能十分重要。當設計包含混合信號器件的電路時,你應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路由走線將設計分為模擬、數字和電源部分。

參考路徑是ADC布局布線中最關鍵的,這是因為所有轉換都是基準電壓的一個函數。在傳統(tǒng)逐次逼近寄存器 (SAR) ADC架構中,參考路徑也是最敏感的,其原因是基準引腳上會有一個到基準源的動態(tài)負載。

由于基準電壓在每次轉換期間被數次采樣,高電流瞬變出現在這個終端上,其中的ADC內部電容器陣列在這個位置位時被開啟和充電?;鶞孰妷涸诿總€轉換時鐘周期內必須保持穩(wěn)定,并且穩(wěn)定至所需的N位分辨率,否則的話會出現線性誤差和丟碼錯誤。

圖1顯示典型12位SAR ADC基準終端上的轉換階段期間的電流瞬變。
12位SAR ADC基準引腳上的電流瞬變
  圖1.12位SAR ADC基準引腳上的電流瞬變

 
由于這些動態(tài)電流,需要使用高質量旁路電容器(CREF)對基準引腳進行去耦合操作。此旁路電容器被用作一個電荷存儲器,在這些高頻瞬變電流期間提供瞬時充電。你應該將基準旁路電容器放置在盡量靠近基準引腳的位置上,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ADS7851,14位雙ADC(具有兩個獨立電壓基準)的電路板布局布線示例。
具有兩個獨立內部電壓基準的雙ADC布局布線示例
  圖2.具有兩個獨立內部電壓基準的雙ADC布局布線示例

 
在這個四層PCB電路板示例中,設計人員使用了一個位于器件正下方的堅固接地平面,并且將電路板劃分為模擬和數字部分,以使敏感輸入和基準信號遠離噪聲源。他用10μF,X7R級,尺寸0805的陶瓷電容器 (CREF-x)來旁路REFOUT-A和REFOUT-B基準輸出,以實現最優(yōu)性能,并且將他們連接至使用小型0.1 ?串聯電阻的器件上,以保持總體低阻抗和高頻時的恒定阻抗;他還使用寬跡線來減少電感。

我強烈建議把CREF與ADC放置在同一層上。你還應該避免在基準引腳和旁路電容器之間放置導孔。ADS7851的每一個基準接地引腳都具有一個單獨的接地連接,而每個旁路電容器都有單獨到接地路徑的電感連接。

如果你正在使用需要一個外部基準源的ADC,你應該盡量減少參考信號路徑中的電感-這個路徑的起點為基準緩沖器輸出到旁路電容器,直到ADC基準輸入。

圖3顯示了使用外部基準和緩沖器的一個18位SAR ADC ADS8881的布局布線示例。
具有一個外部基準和緩沖的ADC布局布線示例
  圖3. 具有一個外部基準和緩沖的ADC布局布線示例

通過將電容器放置在引腳的0.1英寸范圍以內,并且將其與寬度為20密耳的跡線和多個尺寸為15密耳的接地導孔相連,設計人員將基準電容器和REF引腳之間的電感保持在少于2nH的水平上。我推薦使用一個額定電壓至少為10V的單個、10uF,X7R級,尺寸0805的陶瓷電容器。

基準緩沖器電路到REF引腳的跡線長度被保持盡可能的短,以確??焖俜€(wěn)定響應。

REF引腳的正確去耦合對于實現最優(yōu)性能十分關鍵。此外,在參考路徑中保持低電感連接使得基準驅動電路在轉換期間保持穩(wěn)定,使你向獲得所需的效果又邁進了一步。
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