關(guān)于SAR、ADC、PCB布局布線參考指南

在設(shè)計高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，勤奮的工程師仔細選擇高精度模數(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。在幾個星期的設(shè)計工作之后，執(zhí)行模擬并優(yōu)化電路原理圖，為了趕工期，設(shè)計人員迅速地將電路板布局布線組合在一起。一個星期之后，對第一個原型電路板進行測試。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)生過嗎？

最優(yōu)PCB布局布線對于使ADC達到預(yù)期的性能至關(guān)重要。當(dāng)設(shè)計包含混合信號器件的電路時，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走線將設(shè)計分為模擬、數(shù)字和電源部分。

參考路徑是ADC布局布線中最關(guān)鍵的，這是因為所有轉(zhuǎn)換都是基準電壓的函數(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，因為基準引腳上有到基準源的動態(tài)負載。

由于基準電壓在每次轉(zhuǎn)換期間被數(shù)次采樣，高電流瞬變出現(xiàn)在這個終端上，其中ADC內(nèi)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(zhuǎn)換時鐘周期內(nèi)必須保持穩(wěn)定，并且穩(wěn)定至所需的N位分辨率，否則的話會出現(xiàn)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(zhuǎn)換階段期間的電流瞬變。

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(zhì)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。應(yīng)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它們連接在一起。

圖2為有兩個獨立內(nèi)部電壓基準的14位雙ADCADS7851的電路板布局布線示例。

圖2.具有兩個獨立內(nèi)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(shè)計人員使用了位于元件正下方的堅固接地平面，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信號遠離噪聲源。他用10μF，X7R級，0805尺寸的陶瓷電容器 (CREF-x) 來旁路REFOUT-A和REFOUT-B基準輸出，以實現(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較低且恒定。他還使用寬跡線來減少電感。

我強烈建議把CREF與ADC放在同一層上。還應(yīng)該避免在基準引腳和旁路電容器之間放置導(dǎo)孔。ADS7851的每一個基準接地引腳都有單獨的接地連接，而每個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源的ADC，你應(yīng)該盡量降低參考信號路徑中的電感——從基準緩沖器輸出到旁路電容器，到ADC基準輸入。

圖3為使用外部基準和緩沖器的18位SAR ADCADS8881的布局布線示例。通過將電容器放置在引腳的0.1英寸范圍以內(nèi)，并且將其與寬度為20密耳的跡線和多個15密耳的接地導(dǎo)孔相連，設(shè)計人員將基準電容器和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，10uF，X7R級，0805尺寸的陶瓷電容器。

基準緩沖器電路到REF引腳的跡線長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于實現(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驅(qū)動電路在轉(zhuǎn)換期間保持穩(wěn)定，使你向獲得所需的效果又邁進了一步。

圖3.具有外部基準和緩沖器的ADC布局布線示例