「技術(shù)文章」ADC的PCB設計原來(lái)理論是這樣

PCB版圖是優(yōu)化高速電路板線(xiàn)性性能的關(guān)鍵因素。本系列前面的文章討論了一些減少二次諧波失真的基本技術(shù)。本文的靈感來(lái)自TI文檔高速PCB版圖技術(shù)，試圖詳細討論如何在高速差分ADC驅動(dòng)器中配置軌對軌和軌對地旁路電容器，以實(shí)現最大可能的線(xiàn)性性能。

如圖1所示，差分ADC驅動(dòng)器可以通過(guò)使用兩個(gè)單端運算放大器來(lái)實(shí)現。

圖1使用兩個(gè)相同的單端運算放大器實(shí)現差分ADC驅動(dòng)器

當差分信號應用于這些相同的路徑時(shí)，各個(gè)運算放大器將產(chǎn)生相同的二次諧波分量。在A(yíng)DC輸入端顯示為共模信號，這些失真分量將被差分ADC抑制，就像任何其他共模噪聲和干擾信號一樣。

在上一篇文章中，我們討論了對稱(chēng)PCB布局需要保持兩個(gè)單端路徑相同并衰減二次諧波。在這篇文章中，我們將討論如何布置運算放大器的去耦電容，以達到最大可能的線(xiàn)性性能。

我們知道去耦電容器作為電荷源并提供運算放大器應提供給負載的高頻電流。為了提供高頻差分電流，我們可以使用軌對地和軌對軌去耦電容器。

在圖1所示的結構中，傳輸到負載的電流是差分的，即當上部運算放大器向負載供電時(shí)，下部分支吸收電流，反之亦然。讓我們考慮這樣一種情況，上面的運算放大器提供負載電流，而下面的路徑吸收它。rail-to-ground和rail-to-rail解耦選項以及當前路徑如圖2所示。注意，在這個(gè)圖中，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，放大級的電阻沒(méi)有顯示。此外，我們假設使用帶有專(zhuān)用接地板的多層板。

圖2軌對地（a）和軌對軌（b）解耦結構

采用軌對地解耦結構（圖2（a）），高頻電流將從正軌（C）的旁路電容器流出旁路1)再到負載，再到負軌的旁路電容器（C旁路2)如藍色箭頭所示。電路示意圖表明節點(diǎn)A和B都在地面上，藍色箭頭所示的路徑是電流的閉合路徑。然而，從A到B的電流和B兩個(gè)節點(diǎn)應該是閉合的。因此，負載電流將通過(guò)接地層提供的最小阻抗路徑流回C的接地側旁路1 .

這種結構所面臨的挑戰是，在足夠靠近負載電流回流路徑的接地層中流動(dòng)的任何電流都可以與負載電流耦合并改變負載電流。此外，如果負載電流返回路徑從節點(diǎn)B到A的不對稱(chēng)性，則ADC驅動(dòng)器的單端路徑之間的對稱(chēng)性將受到影響，并且在A(yíng)DC輸入端會(huì )出現較大的二次諧波。

在圖2所示的兩個(gè)結構之間，可以采用并聯(lián)電容器（b）來(lái)解決這兩個(gè)問(wèn)題。這樣，差動(dòng)負載電流將沿著(zhù)藍色箭頭所示的路徑流動(dòng)，并且不必流過(guò)接地層。根據TI文件一個(gè)軌對軌旁路電容器可以減少6-10dB的二次諧波失真。注意，為了提供相反方向的差動(dòng)負載電流，我們需要包括另一個(gè)軌對軌旁路電容器（C旁路4)如下圖3所示

在圖1所示的結構中，運算放大器提供的電流主要是差分的，可以由軌對軌去耦電容器提供。然而，我們仍然可以有小的共模電流元件。例如，假設一個(gè)噪聲分量耦合到兩個(gè)運算放大器的非反相輸入端，并稍微提高這些節點(diǎn)的電壓。這將產(chǎn)生從兩個(gè)運算放大器流出的共模電流。如圖4所示，這種共模電流將對PCB線(xiàn)路的雜散電容充電。

圖4

注意，軌對軌旁路電容器不能提供這些共模電流。在圖4中，運算放大器必須直接通過(guò)電源和接地導體提供高頻共模電流分量，這是不需要的。因此，我們需要添加軌對地旁路電容器，如圖5所示。

如您所見(jiàn)，從兩個(gè)運算放大器流出的共模電流將由正極導軌和接地（C）之間的旁路電容器提供旁路5和C旁路7). 此共模電流將對記錄道的寄生電容充電。因此，回路電流將從寄生電容的接地側流回C的接地側旁路5和C旁路7在地平面上。同樣，由兩個(gè)運算放大器產(chǎn)生的共模電流將由放置在負軌和接地（C）之間的旁路電容器提供旁路6和C旁路8 ).

當我們加上C旁路5，C旁路6，C旁路7，和C旁路8為了提供共模電流，這些電容器還將提供負載的一部分高頻差分電流。如圖2（a）所示，使用軌對地電容器會(huì )不必要地使差動(dòng)負載電流流過(guò)不需要的接地層。為了避免這種情況，我們可以放置軌道對地旁路電容器，這種電容器可以以對稱(chēng)的方式提供差分電流，并將它們之間的軌跡在中點(diǎn)接地。這在圖6中得到了最好的圖解說(shuō)明。

圖6

上圖顯示了上部運算放大器產(chǎn)生負載電流，而下部通路吸收負載電流的情況。在這種情況下，C旁路5和C旁路8可提供部分負載差動(dòng)電流。為了防止差動(dòng)電流流過(guò)接地層，我們連接了C的接地側旁路5和C旁路8通過(guò)線(xiàn)路板信號層上的一條PCB跡線(xiàn)，并在中點(diǎn)（圖中的節點(diǎn)a）接地。對于差分信號，節點(diǎn)a理論上應為虛擬接地，且差動(dòng)電流不應流入接地層（I地面=0 for a differential load current). Similarly, we place C旁路6和C旁路7彼此對稱(chēng)，并在中點(diǎn)處將兩個(gè)電容器之間的跡線(xiàn)接地。您可以在中找到應用上述技術(shù)的示例布局本申請表 .

最后，值得一提的是，這些技術(shù)也適用于基于全差分運算放大器的ADC驅動(dòng)器。更多信息，請參考我上面提到的TI文件。

為了從差分ADC驅動(dòng)器中獲得最大的線(xiàn)性性能，我們需要一個(gè)對稱(chēng)的PCB布局。采用軌對軌旁路電容器作為高頻差分電流的主充電源，可以降低6～10dB的二次諧波分量。我們仍然需要軌對地旁路電容器來(lái)提供共模電流。由于這些電容器也能提供一部分負載差動(dòng)電流，所以我們需要將它們對稱(chēng)布置，這樣負載差動(dòng)電流就不會(huì )流入接地層。