TI AD转换器增加精度和分辨率时使用的PCB布线技巧

PCB

最初，模数(A/D)转换器起源于模拟范例，其中物理硅的大部分是模拟。随着新的设计拓扑学发展，此范例演变为，在低速A/D转换器中数字占主要部分。尽管A/D转换器片内由模拟占主导转变为由数字占主导，PCB的布线准则却没有改变。当布线设计人员设计混合信号电路时，为实现有效布线，仍需要关键的布线知识。电子论坛在此将以逐次逼近型A/D转换器和∑-△型A/D转换器为例，探讨A/D转换器所需的PCB布线策略。

图1. 12位CMOS逐次逼近型A/D转换器的方框图。此转换器使用了由电容阵列形成的电荷分布。

逐次逼近型A/D转换器的布线
逐次逼近型A/D转换器有8位、10位、12位、16位以及18位分辨率。最初，这些转换器的工艺和结构是带R-2R梯形电阻网络的双极型。但是最近，采用电容电荷分布拓扑将这些器件移植到了CMOS工艺。显然，这种移植并没有改变这些转换器的系统布线策略。除较高分辨率的器件外，基本的布线方法是一致的。对于这些器件，需要特别注意防止来自转换器串行或并行输出接口的数字反馈。
　　从电路和片内专用于不同领域的资源来看，模拟在逐次逼近型A/D转换器中占主导地位。图1是一个12位CMOS逐次逼近型A/D转换器的方框图。
　　此转换器使用了由电容阵列形成的电荷分布。
　　在此方框图中，采样/保持、比较器、数模转换器（DAC）的大部分以及12位逐次逼近型A/D转换器都是模拟的。电路的其余部分是数字的。因此，此转换器所需的大部分能量和电流都用于内部模拟电路。此器件需要很小的数字电流，只有D/A转换器和数字接口会发生少量开关。
　　这些类型的转换器可以有多个地和电源连接引脚。引脚名经常会引起误解，因为可用引脚标号区分模拟和数字连接。这些标号并非意在描述到PCB的系统连接，而是确定数字和模拟电流如何流出芯片。知道了此信息，并了解了片内消耗的主要资源是模拟的，就会明白在相同平面（如模拟平面）上连接电源和地引脚的意义。例如，10位和12位转换器典型样片的引脚配置如图2所示。

图2. 逐次逼近型A/D转换器，无论其分辨率是多少位，通常至少有两个地连接端：AGND和DGND。此处以Microchip的A/D转换器 MCP4008和MCP3001为例。
　　

对于这些器件，通常从芯片引出两个地引脚：AGND和DGND。电源有一个引出引脚。当使用这些芯片实现PCB布线时，AGND和DGND应该连接到模拟地平面。模拟和数字电源引脚也应该连接到模拟电源平面或至少连接到模拟电源轨，并且要尽可能靠近每个电源引脚连接适当的旁路电容。象MCP3201这样的器件，只有一个接地引脚和一个正电源引脚，其唯一的原因是由于封装引脚数的限制。然而，隔离开地可增大转换器具有良好和可重复精度的可能性。
　　对于所有这些转换器，电源策略应该是将所有的地、正电源和负电源引脚连接到模拟平面。而且，与输入信号有关的‘COM’引脚或‘IN’引脚应该尽量靠近信号地连接。
　　对于更高分辨率的逐次逼近型A/D转换器（16位和18位转换器），在将数字噪声与“安静”的模拟转换器和电源平面隔离开时，需要另外稍加注意。当这些器件与单片机接口时，应该使用外部的数字缓冲器，以获得无噪声运行。尽管这些类型的逐次逼近型A/D转换器通常在数字输出侧有内部双缓冲器，还是要使用外部缓冲器，以进一步将转换器中的模拟电路与数字总线噪声隔离开。
　　这种系统的正确电源策略如图3所示。

图3.对于高分辨率的逐次逼近型A/D转换器，转换器的电源和地应该连接到模拟平面。然后，A/D转换器的数字输出应使用外部的三态输出缓冲器缓冲。这些缓冲器除了具有高驱动能力外，还具有隔离模拟和数字侧的作用。
高精度∑-△型A/D转换器的布线策略
高精度∑-△型A/D转换器硅面积的主要部分是数字。早期生产这种转换器的时候，在电子论坛范例中的这种转变促使用户使用PCB平面将数字噪声和模拟噪声隔离开。与逐次逼近型A/D转换器一样，这些类型A/D转换器可能有多个模拟地、数字地和电源引脚。数字或模拟设计工程师一般都倾向于将这些引脚分开，分别连接到不同的平面。但是，这种倾向是错误的，尤其是当您试图解决16位到24位精度器件的严重噪声问题时。
　　对于有10Hz数据速率的高分辨率∑-△型A/D转换器，加在转换器上的时钟（内部或外部时钟）可能为10MHz或20MHz。此高频率时钟用于开关调制器和运行过采样引擎。对于这些电路，与逐次逼近型A/D转换器一样，AGND和DGND引脚也是在同一地平面上连接在一起。而且，模拟和数字电源引脚也最好在同一平面上连接在一起。对模拟和数字电源平面的要求与高分辨率逐次逼近型A/D转换器相同。
　　必须要有地平面，这意味着至少需要双面板。在此双面板上，地平面至少要覆盖整个板面积的75%。地平面层的用途是为了降低接地阻抗和感抗，并提供对电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）的屏蔽作用。如果在电路板的地平面侧需要有内部连接走线，那么走线要尽可能短并与地电流回路垂直。
　　对于低精度的A/D转换器，如六位、八位或甚至可能十位的A/D转换器，模拟和数字引脚不分开是可以的。但当您选择的转换器精度和分辨率增加时，布线要求也更严格了。高分辨率逐次逼近型A/D转换器和∑-△型A/D转换器，都需要直接连接到低噪声模拟地和电源平面。