高分辨率ADC的板布線

高速ADC(模/數(shù)變換器)是各種應(yīng)用領(lǐng)域(如質(zhì)譜儀，超聲，激光雷達(dá)/雷達(dá)，電信收發(fā)機(jī)模塊等)中關(guān)鍵的模擬處理元件。無論應(yīng)用是基于時域或頻域，都需要ADC最高的動態(tài)性能。更快和更高分辨率的ADC，可使超聲系統(tǒng)具有更詳明的圖像，使通信系統(tǒng)具有更高數(shù)據(jù)的處理能力。

隨著14位或更高分辨率ADC的采樣率繼續(xù)提高到百兆采樣范圍，隨之而來的是系統(tǒng)設(shè)計人員必須成為時鐘設(shè)計和分配及板布線方面的專家。

本文描述的是系統(tǒng)設(shè)計方面的一些關(guān)鍵性問題，特別關(guān)注印制電路板(PCB)地和電源平面布線技術(shù)?，F(xiàn)代化的ADC需要現(xiàn)代化的板設(shè)計。沒有精確的時鐘源或仔細(xì)設(shè)計的板布線，則高性能變換器將達(dá)不到其性能指標(biāo)。

單IF外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)和高級的功率放大器線性化算法，正在對ADC性能提出要求。這樣的系統(tǒng)正在把變換器的固有抖動性能推向低于1/2 PS。同樣，測試儀器工程師需要在寬帶內(nèi)有非常低的噪聲性能，以便高級頻譜分析儀開發(fā)。

因此，高速數(shù)據(jù)變換系統(tǒng)中最重要的子電路是時鐘源。這是因為時鐘信號的定時精度會直接影響ADC的動態(tài)性能。

為了使這種影響最小，ADC時鐘源必須具有非常低的定時抖動或相位噪聲。若在選擇時鐘電路時不考慮這種因數(shù)，則系統(tǒng)動態(tài)性能不會好。這與前端模擬輸入電路的質(zhì)量或變換器的固有抖動性能無關(guān)。精確的時鐘在精確的時間間隔總能提供沿轉(zhuǎn)換。

實際上，時鐘沿在連續(xù)變化的時間間隔到達(dá)。因此，這種定時的不確定性，可以借助數(shù)據(jù)變換過程綜合評估采樣波形的信噪比。

最大時鐘抖動由下式確定：

Tj(rms)=(VIN(p-p) /VINFSR）×(1/(2(N+1)×π×fin)

假若輸入電壓(VIN)等于ADC的滿標(biāo)范圍(VINFSR)，則抖動要求變?yōu)锳DC分辨率(N位)和被采樣輸入頻率(fin)的因數(shù)。

對于70MHz 輸入頻率，總抖動要求是：

Tj(rms)=1× (1/215π×70×106))

Tj(rms)=140fs

由于很多系統(tǒng)通過背板或另外連接分配參考時鐘，這會降低信號質(zhì)量，所以，通常用本機(jī)振蕩器(低相位噪聲的VCXD)做為ADC的定時源。圖1示出用NS公司的LMX2531時鐘合成實現(xiàn)定時產(chǎn)生。連接到定時產(chǎn)生器的LMX2531由可編程分頻器合成器輸出，給出小于100毫微微秒的抖動性能。

布線考慮

適當(dāng)?shù)慕拥睾瓦x定所有信號路線是保證精確信號轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。

用分離地平板對于10位ADC的50MSPS和12位ADC的30~35MSPS工作良好。超出此范圍，額外的電路噪聲是明顯的，而且分離的地平板也可引起信號輻射。當(dāng)線承載電流信號時，會在跨越平板間分離處發(fā)生問題。

模擬元件集中在板的模擬區(qū)域，數(shù)字元件集成在板的數(shù)字區(qū)域。這樣可保持模擬和數(shù)字返回電流彼此遠(yuǎn)離(圖2)。圖3示出帶一個分離地平板的板圖。這是為了隔離模擬和數(shù)字地電流，而且可使ADC噪聲最小，但忽視了EMI效應(yīng)。另模擬元件集中在板的模擬區(qū)域，數(shù)字元件集成在板的數(shù)字區(qū)域。這樣可保持模擬和數(shù)字返回電流彼此遠(yuǎn)離(圖2)。圖3示出帶一個分離地平板的板圖。這是為了隔離模擬和數(shù)字地電流，而且可使ADC噪聲最小，但忽視了EMI效應(yīng)。另外，當(dāng)用電源跡線控制模擬和數(shù)字電源通路時，返回ADC電流必脫離輸出電流通路。這會產(chǎn)生可輻射的電流環(huán)路區(qū)域。

圖3 分離地平板的板圖

用分離的地平板和電源板可以消除環(huán)路區(qū)域問題，使輻射問題最小。這允許輸出和返回電流彼此靠近流動，而使RFI/EMI問題最小。然而，元件的相互放置是非常重要的，共同的模擬和數(shù)字返回電流通路在模擬電路可能引起數(shù)字噪聲。我們知道，高頻或高沿率信號留心高電阻，甚至在地平板中需要保持模擬和數(shù)字返回電流彼此分離開。

注意，鄰近效應(yīng)導(dǎo)致輸出和返回電流盡可能彼此靠近流動?？烤?xì)的元件放置和所有線跡(包括電源線)考慮周到的選定路線，可以控制地平板中的返回電流通路。地返回電流將流經(jīng)各自的輸出線跡，因此，保持模擬和數(shù)字返回電流彼此遠(yuǎn)離是可能的。

單個地平板消除環(huán)路區(qū)域，信號和電源線跡控制電流流動。

模擬和數(shù)字元件應(yīng)放置在它們自己的專門PCB區(qū)域。電源應(yīng)放置在板邊沿或者角落和模擬與數(shù)字區(qū)域之間。

電源布線對噪聲性能也是關(guān)鍵。數(shù)字元件(特別是高速大功率數(shù)字元件)不能放置、也不能靠近模擬返回電流流回電源的通路。這就是數(shù)字元件不應(yīng)放置在靠近承載模擬電流的線或到模擬和混合信號元件的電源線。注意，電源承載信號電流，因為它們重新充電板上的旁路電容器。返回電流必須通過分離地平板的公共節(jié)，遠(yuǎn)離輸出線跡/通路流動。此將形成有輻射的環(huán)路區(qū)域。有時模擬電路會拾取這種輻射。

上述所建議的布線會使ADC能提供最好的性能。歸納其要求如下：

用一個整體單一化的地平板。不要分開地平板。若多板層中有多個地平板，則應(yīng)在2cm或更短距離內(nèi)，用一個通孔柵條把它們連接在一起。

分開電源平板，每個電源平板保持在相同板層中。應(yīng)該分離模擬電路電源平板、數(shù)字電路電源平板和ADC數(shù)字輸出驅(qū)動器的電源平板。

ADC數(shù)字芯核電源用模擬電源，但ADC數(shù)字驅(qū)動器不能用模擬電源。

ADC數(shù)字輸出驅(qū)動器電源可以是ADC輸出驅(qū)動元件的相同電源。

把所有模擬元件和連線放置在模擬電源平板之上，把所有數(shù)字元件和連線放置在數(shù)字電源平板之上。

每個平板用分離的電源。ADC數(shù)字輸出電源，可以來自任何一個電源，但應(yīng)該用串聯(lián)扼流圈去耦。ADC模擬電源最好采用線性電壓穩(wěn)壓器。

假若任何數(shù)字電路供電電源和ADC輸出驅(qū)動器電源是同一電源，并有信號線到板的另外區(qū)域，則這兩個電源平板之間用電容器。把這些電容器放置在緊靠信號線處。