高精確度與分辨率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器布線技術(shù)

轉(zhuǎn)換器在新設(shè)計(jì)型態(tài)改進(jìn)下，大多模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器多變成數(shù)字式。即使如此的改變，電路布線的設(shè)計(jì)并無(wú)改變，本文將介紹使用連續(xù)逼近緩存器型與Sigma-Delta型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之布線方式。

最初模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器在芯片中大部份仍為模擬的電路組成。由于新設(shè)計(jì)型態(tài)的改進(jìn)，慢速的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器大多變成數(shù)字式。即使在芯片中從模擬變成數(shù)字，電路板布線工作并沒有改變。目前仍是如此，布線設(shè)計(jì)者在處理混合訊號(hào)電路時(shí)，想使布線成效良好，仍需基本的布線常識(shí)。本文將探討使用連續(xù)逼近緩存器型（SAR）與Sigma-Delta型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之電路板布線方式。

連續(xù)逼近緩存器型轉(zhuǎn)換器布線

SAR 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之分辨率有 8 位、10 位、12 位、16 位，有時(shí)也有 18 位。起初，這些轉(zhuǎn)換器之制造程序和結(jié)構(gòu)，分別是雙載子及 R-2R階梯電阻網(wǎng)絡(luò)。但最近這些組件已變成為使用電容充電分配技術(shù)的 CMOS 制造程序，這些轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)布線方式，不會(huì)隨這個(gè)轉(zhuǎn)變而改變。除高分辨率組件外，布線的基本方式仍然不變。這些組件需要多加注意，以避免轉(zhuǎn)換器串行或并列輸出接口的數(shù)字回授。

就電路系統(tǒng)與芯片上不同的方塊結(jié)構(gòu)來(lái)*估，SAR 轉(zhuǎn)換器顯然是屬于模擬裝置。(圖一)所示為 12 位CMOS SAR 轉(zhuǎn)換器的方塊圖。

圖注:本轉(zhuǎn)換器使用充電分配至電容數(shù)組

圖一　12 位CMOS SAR 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的方塊圖

在本方塊圖中，取樣/保持、比較器、大部份的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器及12位SAR都是模擬；其余電路部份是數(shù)字。結(jié)果，本轉(zhuǎn)換器內(nèi)之模擬電路耗用大部份的電源與電流，除數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器與接口中發(fā)生的小量切換電流外，數(shù)字電路的消耗電流極少。

這類轉(zhuǎn)換器具有數(shù)支接地與電源接腳。這些接腳名稱經(jīng)常被誤解為可依其腳位名稱來(lái)區(qū)別數(shù)字或模擬。但這些腳位名稱并明確無(wú)表示，與系統(tǒng)和電路板連接之意義，它們是區(qū)別數(shù)字與模擬電流如何流出芯片。知道這項(xiàng)信息并了解芯片主要組成部份是模擬，讓電源與接地線放在同一平面上，例如模擬面就變得有意義。

例如，10 位與 12 位轉(zhuǎn)換器典型樣本的腳位排列如(圖二)所示。

圖注: 不管分辨率高低，通常至少有兩個(gè)接地連結(jié)：

AGND 與 DGND；此處圖解的轉(zhuǎn)換器為Microchip 的 MCP4008 與 MCP3001

圖二　SAR 轉(zhuǎn)換器

這些組件通常有兩支接地腳從芯片拉出：AGND 與 DGND。電源只用一只腳位。進(jìn)行這種芯片之電路板布線時(shí)，AGND 與 DGND 應(yīng)連至模擬接地面；模擬與數(shù)字電源接腳也應(yīng)連接至模擬電源層，或至少連接至模擬電源走線，加入適當(dāng)?shù)呐月冯娙萸冶M可能靠近接地與電源接腳端。這些組件如同 MCP3201只有一支接地腳及一支電源接腳的唯一原因，是因?yàn)榘b腳數(shù)之限制。但是，若將數(shù)字與模擬接腳分開會(huì)使轉(zhuǎn)換器得到良好的精確度與重現(xiàn)性。

所有轉(zhuǎn)換器的電源布線方式是：連接所有接地、正與負(fù)電源接腳至模擬面。此外，連接與輸入信號(hào)相關(guān)的「COM」或「IN」接腳時(shí)應(yīng)盡可能靠近信號(hào)接地。

高分辨率的 SAR 轉(zhuǎn)換器 （16 與 18 位轉(zhuǎn)換器），需要考慮從安靜之模擬轉(zhuǎn)換器與電源層分離出數(shù)字噪聲。當(dāng)連接這些組件至微控制器時(shí)，應(yīng)使用外部數(shù)字緩沖器以達(dá)到干凈的操作環(huán)境；雖然這些類型的SAR轉(zhuǎn)換器通常在數(shù)字輸出端具有內(nèi)部雙緩沖器，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。對(duì)這種系統(tǒng)適當(dāng)電源處理方式如(圖三)所示。

圖注: 使用高分辨率 SAR 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器電源與接地應(yīng)連接至模擬面。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出應(yīng)有緩沖器，使用外部三態(tài)輸出緩沖器。這些緩沖器隔開模擬面與數(shù)字面，并提供高驅(qū)動(dòng)能力。

圖三　使用高分辨率 SAR 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器電源與接地應(yīng)連接至模擬面

精確的Sigma-Delta布線方式

精確的Sigma-Delta 型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器在芯片內(nèi)絕大多數(shù)是數(shù)字。早期在制造出這種轉(zhuǎn)換器時(shí)，使用者藉由電路板銅箔面將數(shù)字噪聲與模擬噪聲分開。SAR 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器則可能有多支模擬接地腳、數(shù)字接地腳與電源接腳。再一次，數(shù)字或模擬設(shè)計(jì)工程師的一般傾向是將這些接腳分別接到各個(gè)接地或電源面上。很不幸的，這個(gè)傾向會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，特別是在解 16 至 24 位精確組件的噪聲問(wèn)題時(shí)。

一具有10Hz數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率的高分辨率Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器，其頻率（內(nèi)部或外部）可以高達(dá) 10MHz 或 20MHz。這個(gè)高頻頻率用以維持調(diào)變器與超取樣引擎電路之運(yùn)轉(zhuǎn)。如同SAR 轉(zhuǎn)換器的情形，這個(gè)組件的AGND 與 DGND 接腳是接到同一接地面上。此外，模擬與數(shù)字之電源接腳應(yīng)連接在一起，而且在電路板之同一層上更好。模擬與數(shù)字對(duì)電源面的要求條件與高分辨率 SAR 轉(zhuǎn)換器相同。

接地面是一定需要的，也就是說(shuō)至少需使用雙層板。在這塊雙層板上，接地面應(yīng)覆蓋至少 75％ 的范圍。這個(gè)接地面的目的是，降低接地電阻及電感，并隔離電磁干擾與無(wú)線電波干擾。如果無(wú)法避免信號(hào)走線通過(guò)電路板的接地面上，信號(hào)走線盡可能地短并與接地電流返回路徑垂直。

結(jié)論

無(wú)須分開低分辨率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器──例如6位、8位，或甚至可能是10位轉(zhuǎn)換器的模擬與數(shù)字接腳。但隨著選用的轉(zhuǎn)換器分辨率/精確度的增加，布線條件也變得更嚴(yán)格。高分辨率SAR與 Sigma-Delta模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器， 這兩種組件必須直接連接到較低噪聲的模擬接地與電源層。