高精度、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCB走線技術(shù)

隨著新型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)類型的改進(jìn)，大多數(shù)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器變成了數(shù)字轉(zhuǎn)換器。 即使有這樣的變化，PCB電路布線的設(shè)計(jì)并沒有改變。 本文將介紹使用連續(xù)逼近緩沖器和Sigma Delta 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的接線方法。

最初，模數(shù)轉(zhuǎn)換器大多由模擬電路組成。 由于新設(shè)計(jì)類型的改進(jìn)，大多數(shù)緩慢的模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成了數(shù)字轉(zhuǎn)換器。 即使芯片中模擬變?yōu)閿?shù)字，電路板的布線工作也沒有改變。 目前仍然如此。 布線設(shè)計(jì)人員在處理混合信號電路時，仍然需要基本的布線知識才能使布線良好地工作。 本文討論了使用連續(xù)逼近緩沖器 (SAR) 和 Sigma Delta 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路板布線。

連續(xù)逼近緩沖器轉(zhuǎn)換器布線

SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率有8位、10位、12位、16位，有時還有18位。 最初，這些轉(zhuǎn)換器的制造工藝和結(jié)構(gòu)是雙載波和R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)。 然而，這些組件最近已成為使用電容器充電和分配技術(shù)的 CMOS 制造方案。 這些轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)接線不會隨此變化而改變。 除了高分辨率組件外，布線的基本方式保持不變。 這些組件需要更多注意，以避免轉(zhuǎn)換器的串行或并行輸出接口的數(shù)字反饋。

根據(jù)電路系統(tǒng)和芯片的模塊結(jié)構(gòu)的不同，SAR轉(zhuǎn)換器顯然屬于模擬器件。

在此框圖中，采樣/保持、比較器、大多數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器和 12 位 SAR 都是模擬的； 電路的其余部分是數(shù)字的。 因此，該轉(zhuǎn)換器中的模擬電路消耗了大部分功率和電流，而數(shù)字電路除了數(shù)模轉(zhuǎn)換器和接口中的小開關(guān)電流外，消耗很少的電流。

這種類型的轉(zhuǎn)換器有多個接地和電源引腳。 這些引腳名稱經(jīng)常被誤解為根據(jù)引腳名稱來區(qū)分?jǐn)?shù)字和模擬。 然而，這些引腳名稱并沒有明確表示與系統(tǒng)和電路板連接的含義。 它們區(qū)分?jǐn)?shù)字和模擬電流如何流出芯片。 知道了這些信息，明白了芯片的主要組成部分是模擬，將電源和地線放在同一平面，比如模擬平面，是有意義的。

這些組件通常有兩個從芯片引出的接地引腳：AGND 和 DGND。 電源僅使用一根腿。 該芯片電路板接線時，AGND和DGND均接模擬地； 模擬和數(shù)字電源端子也應(yīng)連接到模擬電源層，或至少連接到模擬電源接線，并添加適當(dāng)?shù)呐月冯娙?，并盡可能靠近接地和電源端子。 這些器件（如 MCP3201）只有 1 個接地引腳和 1 個電源引腳，唯一原因是封裝引腳數(shù)量的限制。 然而，如果數(shù)字和模擬引腳分開，轉(zhuǎn)換器將獲得良好的精度和再現(xiàn)性。

所有轉(zhuǎn)換器的電源接線方式為：將所有接地、正負(fù)電源引腳連接至模擬面。 另外，與輸入信號相關(guān)的“COM”或“IN”引腳應(yīng)盡可能靠近信號地連接。

對于高分辨率 SAR 轉(zhuǎn)換器（16 和 18 位轉(zhuǎn)換器），有必要將數(shù)字噪聲與安靜的模擬轉(zhuǎn)換器和電源層分離。 將這些組件連接到微控制器時，應(yīng)使用外部數(shù)字緩沖器以實(shí)現(xiàn)干凈的操作環(huán)境； 盡管這些類型的 SAR 轉(zhuǎn)換器通常在數(shù)字輸出處具有內(nèi)部雙緩沖器，但外部緩沖器的使用進(jìn)一步將轉(zhuǎn)換器內(nèi)的模擬電路與數(shù)字總線噪聲隔離。 本系統(tǒng)應(yīng)采用適當(dāng)?shù)墓β侍幚砟Ｊ健?br/>

注意：當(dāng)使用高分辨率SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器時，轉(zhuǎn)換器電源和地應(yīng)連接到模擬表面。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出應(yīng)有緩沖器，需使用外部三態(tài)輸出緩沖器。 這些緩沖器將模擬和數(shù)字表面分開并提供高驅(qū)動能力。

精確的 Sigma Delta 布線

精確的 Sigma Delta 模數(shù)轉(zhuǎn)換器在芯片中大部分是數(shù)字的。 在制造此類轉(zhuǎn)換器的早期，用戶通過電路板的銅箔表面將數(shù)字噪聲與模擬噪聲分開。 SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以有多個模擬接地引腳、數(shù)字接地引腳和電源接地引腳。 同樣，數(shù)字或模擬設(shè)計(jì)工程師的總體趨勢是將這些引腳連接到每個接地或電源表面。 不幸的是，這種趨勢可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)，特別是在解決 16 至 24 位精確組件的噪聲問題時。

具有10Hz數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率的高分辨率Sigma Delta轉(zhuǎn)換器，其頻率（內(nèi)部或外部）可高達(dá)10MHz或20MHz。 該高頻用于維持調(diào)制器和超級采樣引擎電路的運(yùn)行。 與 SAR 轉(zhuǎn)換器的情況一樣，該組件的 AGND 和 DGND 引腳連接到同一接地層。 另外，模擬和數(shù)字電源引腳應(yīng)連接在一起，并且最好位于電路板的同一層。 模擬和數(shù)字電源表面的要求與高分辨率SAR轉(zhuǎn)換器的要求相同。

接地是必須的，也就是說至少要用兩層板。 在該雙層板上，接地層應(yīng)至少覆蓋 75% 的面積。 這種接地的目的是減少接地電阻和電感，隔離電磁干擾和無線電波干擾。 如果無法阻止信號走線穿過電路板的地平面，則信號走線應(yīng)盡可能短并垂直于接地電流的返回路徑。

結(jié)論

無需分離低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 - 例如，6 位、8 位甚至 10 位轉(zhuǎn)換器的模擬和數(shù)字引腳。 然而，隨著所選轉(zhuǎn)換器的分辨率/精度提高，布線條件變得更加嚴(yán)格。 高分辨率SAR和Sigma Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這兩個元件必須直接連接到低噪聲的模擬接地和電源層。 PCB設(shè)計(jì)及PCB加工廠家講解高精度、分辨率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的PCB布線技術(shù)。