高分辨率ADC的板布線(xiàn)

高速ADC(模/數變換器)是各種應用領(lǐng)域(如質(zhì)譜儀，超聲，激光雷達/雷達，電信收發(fā)機模塊等)中關(guān)鍵的模擬處理元件。無(wú)論應用是基于時(shí)域或頻域，都需要ADC最高的動(dòng)態(tài)性能。更快和更高分辨率的ADC，可使超聲系統具有更詳明的圖像，使通信系統具有更高數據的處理能力。
　　
隨著(zhù)14位或更高分辨率ADC的采樣率繼續提高到百兆采樣范圍，隨之而來(lái)的是系統設計人員必須成為時(shí)鐘設計和分配及板布線(xiàn)方面的專(zhuān)家。
本文描述的是系統設計方面的一些關(guān)鍵性問(wèn)題，特別關(guān)注印制電路板(PCB)地和電源平面布線(xiàn)技術(shù)?，F代化的ADC需要現代化的板設計。沒(méi)有精確的時(shí)鐘源或仔細設計的板布線(xiàn)，則高性能變換器將達不到其性能指標。
單IF外差接收機結構和高級的功率放大器線(xiàn)性化算法，正在對ADC性能提出要求。這樣的系統正在把變換器的固有抖動(dòng)性能推向低于1/2 PS。同樣，測試儀器工程師需要在寬帶內有非常低的噪聲性能，以便高級頻譜分析儀開(kāi)發(fā)。
因此，高速數據變換系統中最重要的子電路是時(shí)鐘源。這是因為時(shí)鐘信號的定時(shí)精度會(huì )直接影響ADC的動(dòng)態(tài)性能。
為了使這種影響最小，ADC時(shí)鐘源必須具有非常低的定時(shí)抖動(dòng)或相位噪聲。若在選擇時(shí)鐘電路時(shí)不考慮這種因數，則系統動(dòng)態(tài)性能不會(huì )好。這與前端模擬輸入電路的質(zhì)量或變換器的固有抖動(dòng)性能無(wú)關(guān)。精確的時(shí)鐘在精確的時(shí)間間隔總能提供沿轉換。
實(shí)際上，時(shí)鐘沿在連續變化的時(shí)間間隔到達。因此，這種定時(shí)的不確定性，可以借助數據變換過(guò)程綜合評估采樣波形的信噪比。
最大時(shí)鐘抖動(dòng)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A(yíng)DC的滿(mǎn)標范圍(VINFSR)，則抖動(dòng)要求變?yōu)锳DC分辨率(N位)和被采樣輸入頻率(fin)的因數。
對于70MHz 輸入頻率，總抖動(dòng)要求是：
Tj(rms)=1× (1/215π×70×106))
Tj(rms)=140fs
由于很多系統通過(guò)背板或另外連接分配參考時(shí)鐘，這會(huì )降低信號質(zhì)量，所以，通常用本機振蕩器(低相位噪聲的VCXD)做為ADC的定時(shí)源。圖1示出用NS公司的LMX2531時(shí)鐘合成實(shí)現定時(shí)產(chǎn)生。連接到定時(shí)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(dòng)性能。

布線(xiàn)考慮

適當的接地和選定所有信號路線(xiàn)是保證精確信號轉換的關(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。當線(xiàn)承載電流信號時(shí)，會(huì )在跨越平板間分離處發(fā)生問(wèn)題。
模擬元件集中在板的模擬區域，數字元件集成在板的數字區域。這樣可保持模擬和數字返回電流彼此遠離(圖2)。圖3示出帶一個(gè)分離地平板的板圖。這是為了隔離模擬和數字地電流，而且可使ADC噪聲最小，但忽視了EMI效應。另模擬元件集中在板的模擬區域，數字元件集成在板的數字區域。這樣可保持模擬和數字返回電流彼此遠離(圖2)。圖3示出帶一個(gè)分離地平板的板圖。這是為了隔離模擬和數字地電流，而且可使ADC噪聲最小，但忽視了EMI效應。另外，當用電源跡線(xiàn)控制模擬和數字電源通路時(shí)，返回ADC電流必脫離輸出電流通路。這會(huì )產(chǎn)生可輻射的電流環(huán)路區域。

用分離的地平板和電源板可以消除環(huán)路區域問(wèn)題，使輻射問(wèn)題最小。這允許輸出和返回電流彼此靠近流動(dòng)，而使RFI/EMI問(wèn)題最小。然而，元件的相互放置是非常重要的，共同的模擬和數字返回電流通路在模擬電路可能引起數字噪聲。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字返回電流彼此分離開(kāi)。
注意，鄰近效應導致輸出和返回電流盡可能彼此靠近流動(dòng)?？烤毜脑胖煤退芯€(xiàn)跡(包括電源線(xiàn))考慮周到的選定路線(xiàn)，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(xiàn)跡，因此，保持模擬和數字返回電流彼此遠離是可能的。
　　
單個(gè)地平板消除環(huán)路區域，信號和電源線(xiàn)跡控制電流流動(dòng)。
模擬和數字元件應放置在它們自己的專(zhuān)門(mén)PCB區域。電源應放置在板邊沿或者角落和模擬與數字區域之間。
電源布線(xiàn)對噪聲性能也是關(guān)鍵。數字元件(特別是高速大功率數字元件)不能放置、也不能靠近模擬返回電流流回電源的通路。這就是數字元件不應放置在靠近承載模擬電流的線(xiàn)或到模擬和混合信號元件的電源線(xiàn)。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(guò)分離地平板的公共節，遠離輸出線(xiàn)跡/通路流動(dòng)。此將形成有輻射的環(huán)路區域。有時(shí)模擬電路會(huì )拾取這種輻射。
　　
上述所建議的布線(xiàn)會(huì )使ADC能提供最好的性能。歸納其要求如下：
•用一個(gè)整體單一化的地平板。不要分開(kāi)地平板。若多板層中有多個(gè)地平板，則應在2cm或更短距離內，用一個(gè)通孔柵條把它們連接在一起。
•分開(kāi)電源平板，每個(gè)電源平板保持在相同板層中。應該分離模擬電路電源平板、數字電路電源平板和ADC數字輸出驅動(dòng)器的電源平板。
•ADC數字芯核電源用模擬電源，但ADC數字驅動(dòng)器不能用模擬電源。
•ADC數字輸出驅動(dòng)器電源可以是ADC輸出驅動(dòng)元件的相同電源。
•把所有模擬元件和連線(xiàn)放置在模擬電源平板之上，把所有數字元件和連線(xiàn)放置在數字電源平板之上。
•每個(gè)平板用分離的電源。ADC數字輸出電源，可以來(lái)自任何一個(gè)電源，但應該用串聯(lián)扼流圈去耦。ADC模擬電源最好采用線(xiàn)性電壓穩壓器。
•假若任何數字電路供電電源和ADC輸出驅動(dòng)器電源是同一電源，并有信號線(xiàn)到板的另外區域，則這兩個(gè)電源平板之間用電容器。把這些電容器放置在緊靠信號線(xiàn)處。