PCB布線設計之AD轉換器的布線技巧
發布時間：2018-8-30 22:09
發布者：liang878238
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AD轉換器的精度和分辨率增加時使用的布線技巧。 最初，模數(A/D)轉換器起源于模擬范例，其中物理硅的大部分是模擬。隨著新的設計拓撲學發展，此范例演變為，在低速A/D轉換器中數字占主要部分。盡管A/D轉換器片內由模擬占主導轉變為由數字占主導，PCB的布線準則卻沒有改變。當布線設計人員設計混合信號電路時，為實現有效布線，仍需要關鍵的布線知識。本文將以逐次逼近型A/D轉換器和∑-△型A/D轉換器為例，探討A/D轉換器所需的PCB布線策略。 逐次逼近型A/D轉換器的布線 逐次逼近型A/D轉換器有8位、10位、12位、16位以及18位分辨率。最初，這些轉換器的工藝和結構是帶R-2R梯形電阻網絡的雙極型。但是最近，采用電容電荷分布拓撲將這些器件移植到了CMOS工藝。顯然，這種移植并沒有改變這些轉換器的系統布線策略。除較高分辨率的器件外，基本的布線方法是一致的。對于這些器件，需要特別注意防止來自轉換器串行或并行輸出接口的數字反饋。 從電路和片內專用于不同領域的資源來看，模擬在逐次逼近型A/D轉換器中占主導地位。圖1是一個12位CMOS逐次逼近型A/D轉換器的方框圖。 此轉換器使用了由電容陣列形成的電荷分布。 在此方框圖中，采樣/保持、比較器、數模轉換器（DAC）的大部分以及12位逐次逼近型A/D轉換器都是模擬的。電路的其余部分是數字的。因此，此轉換器所需的大部分能量和電流都用于內部模擬電路。此器件需要很小的數字電流，只有D/A轉換器和數字接口會發生少量開關。 這些類型的轉換器可以有多個地和電源連接引腳。引腳名經常會引起誤解，因為可用引腳標號區分模擬和數字連接。這些標號并非意在描述到PCB的系統連接，而是確定數字和模擬電流如何流出芯片。知道了此信息，并了解了片內消耗的主要資源是模擬的，就會明白在相同平面（如模擬平面）上連接電源和地引腳的意義。 例如，10位和12位轉換器典型樣片的引腳配置如圖2所示。 圖2. 逐次逼近型A/D轉換器，無論其分辨率是多少位，通常至少有兩個地連接端：AGND和DGND。此處以Microchip的A/D轉換器 MCP4008和MCP3001為例。 圖2. 逐次逼近型A/D轉換器，無論其分辨率是多少位，通常至少有兩個地連接端：AGND和DGND。此處以Microchip的A/D轉換器 MCP4008和MCP3001為例。 對于這些器件，通常從芯片引出兩個地引腳：AGND和DGND。電源有一個引出引腳。當使用這些芯片實現PCB布線時，AGND和DGND應該連接到模擬地平面。模擬和數字電源引腳也應該連接到模擬電源平面或至少連接到模擬電源軌，并且要盡可能靠近每個電源引腳連接適當的旁路電容。象MCP3201這樣的器件，只有一個接地引腳和一個正電源引腳，其唯一的原因是由于封裝引腳數的限制。然而，隔離開地可增大轉換器具有良好和可重復精度的可能性。 對于所有這些轉換器，電源策略應該是將所有的地、正電源和負電源引腳連接到模擬平面。而且，與輸入信號有關的‘COM’引腳或‘IN’引腳應該盡量靠近信號地連接。 對于更高分辨率的逐次逼近型A/D轉換器（16位和18位轉換器），在將數字噪聲與“安靜”的模擬轉換器和電源平面隔離開時，需要另外稍加注意。當這些器件與單片機接口時，應該使用外部的數字緩沖器，以獲得無噪聲運行。盡管這些類型的逐次逼近型A/D轉換器通常在數字輸出側有內部雙緩沖器，還是要使用外部緩沖器，以進一步將轉換器中的模擬電路與數字總線噪聲隔離開。 這種系統的正確電源策略如圖3所示。 圖3.對于高分辨率的逐次逼近型A/D轉換器，轉換器的電源和地應該連接到模擬平面。然后，A/D轉換器的數字輸出應使用外部的三態輸出緩沖器緩沖。這些緩沖器除了具有高驅動能力外，還具有隔離模擬和數字側的作用。 圖3.對于高分辨率的逐次逼近型A/D轉換器，轉換器的電源和地應該連接到模擬平面。然后，A/D轉換器的數字輸出應使用外部的三態輸出緩沖器緩沖。這些緩沖器除了具有高驅動能力外，還具有隔離模擬和數字側的作用。 高精度∑-△型A/D轉換器的布線策略 高精度∑-△型A/D轉換器硅面積的主要部分是數字。早期生產這種轉換器的時候，范例中的這種轉變促使用戶使用PCB平面將數字噪聲和模擬噪聲隔離開。與逐次逼近型A/D轉換器一樣，這些類型A/D轉換器可能有多個模擬地、數字地和電源引腳。數字或模擬設計工程師一般都傾向于將這些引腳分開，分別連接到不同的平面。但是，這種傾向是錯誤的，尤其是當您試圖解決16位到24位精度器件的嚴重噪聲問題時。PCB打樣下單網址:www.jiepei.com/g532 對于有10Hz數據速率的高分辨率∑-△型A/D轉換器，加在轉換器上的時鐘（內部或外部時鐘）可能為10MHz或20MHz。此高頻率時鐘用于開關調制器和運行過采樣引擎。對于這些電路，與逐次逼近型A/D轉換器一樣，AGND和DGND引腳也是在同一地平面上連接在一起。而且，模擬和數字電源引腳也最好在同一平面上連接在一起。對模擬和數字電源平面的要求與高分辨率逐次逼近型A/D轉換器相同。 必須要有地平面，這意味著至少需要雙面板。在此雙面板上，地平面至少要覆蓋整個板面積的75%。地平面層的用途是為了降低接地阻抗和感抗，并提供對電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）的屏蔽作用。如果在電路板的地平面側需要有內部連接走線，那么走線要盡可能短并與地電流回路垂直。 結論 對于低精度的A/D轉換器，如六位、八位或甚至可能十位的A/D轉換器，模擬和數字引腳不分開是可以的。但當您選擇的轉換器精度和分辨率增加時，布線要求也更嚴格了。高分辨率逐次逼近型A/D轉換器和∑-△型A/D轉換器，都需要直接連接到低噪聲模擬地和電源平面。 |
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