高精度ADC线路板布局与布线案例

在设计一个高性能数据采集系统时，勤奋的工程师仔细选择一款高精度ADC，以及模拟前端调节电路所需的其他组件。在几个星期的设计工作之后，执行仿真并优化电路原理图，为了赶工期，设计人员迅速地将线路板布局布线组合在一起。一个星期之后，第一个原型线路板被测试。出乎预料，线路板性能与预期的不一样。 
问这种情景在你身上发生过吗？ 
    最优PCB布局布线对于使ADC达到预期的性能十分重要。当设计包含混合信号器件的电路时，你应该始终从良好的接地安排入手，并且使用最佳组件放置位置和信号路由走线将设计分为模拟、数字和电源部分。 
    参考路径是ADC布局布线中最关键的，这是因为所有转换都是基准电压的一个函数。在传统逐次逼近寄存器 (SAR) ADC架构中，参考路径也是最敏感的，其原因是基准引脚上会有一个到基准源的动态负载。 
    由于基准电压在每次转换期间被数次采样，高电流瞬变出现在这个终端上，其中的ADC内部电容器阵列在这个位置位时被开启和充电。基准电压在每个转换时钟周期内必须保持稳定，并且稳定至所需的N位分辨率，否则的话会出现线性误差和丢码错误。 
    图1显示典型12位SAR ADC基准终端上的转换阶段期间的电流瞬变。 

图1.12位SAR ADC基准引脚上的电流瞬变

由于这些动态电流，需要使用高质量旁路电容器(CREF)对基准引脚进行去耦合操作。此旁路电容器被用作一个电荷存储器，在这些高频瞬变电流期间提供瞬时充电。你应该将基准旁路电容器放置在尽量靠近基准引脚的位置上，并使用较短的低电感连接将他们连接在一起。 
    图2 显示了针对ADS7851，14位双ADC（具有两个独立电压基准）的线路板布局布线示例。 

图2.具有两个独立内部电压基准的双ADC布局布线示例

在这个四层PCB线路板示例中，设计人员使用了一个位于器件正下方的坚固接地平面，并且将线路板划分为模拟和数字部分，以使敏感输入和基准信号远离噪声源。他用10μF，X7R级，尺寸0805的陶瓷电容器 (CREF-x)来旁路REFOUT-A和REFOUT-B基准输出，以实现最优性能，并且将他们连接至使用小型0.1 串联电阻的器件上，以保持总体低阻抗和高频时的恒定阻抗；他还使用宽迹线来减少电感。 
    我强烈建议把CREF与ADC放置在同一层上。你还应该避免在基准引脚和旁路电容器之间放置导孔。ADS7851的每一个基准接地引脚都具有一个单独的接地连接，而每个旁路电容器都有单独到接地路径的电感连接。 
    如果你正在使用需要一个外部基准源的ADC，你应该尽量减少参考信号路径中的电感-这个路径的起点为基准缓冲器输出到旁路电容器，直到ADC基准输入。 
    图3显示了使用外部基准和缓冲器的一个18位SAR ADC ADS8881的布局布线示例。 

图3. 具有一个外部基准和缓冲的ADC布局布线示例