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(wú)論應(yīng)用是基于時(shí)域或頻域，都需要ADC的動(dòng)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(lái)的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須成為時(shí)鐘設(shè)計(jì)和分配及板布線方面的。

　　本文描述的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的一些關(guān)鍵性問(wèn)題，特別關(guān)注印制電路板（PCB）地和電源平面布線技術(shù)?，F(xiàn)代化的ADC需要現(xiàn)代化的板設(shè)計(jì)。沒(méi)有的時(shí)鐘源或仔細(xì)設(shè)計(jì)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)和的功率放大器線性化算法，正在對(duì)ADC性能提出要求。這樣的系統(tǒng)正在把變換器的固有抖動(dòng)性能推向低于1/2 PS。同樣，測(cè)試儀器工程師需要在寬帶內(nèi)有非常低的噪聲性能，以便頻譜分析儀開(kāi)發(fā)。

　　因此，高速數(shù)據(jù)變換系統(tǒng)中重要的子電路是時(shí)鐘源。這是因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)的定時(shí)會(huì)直接影響ADC的動(dòng)態(tài)性能。

　　為了使這種影響，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(shù)，則系統(tǒng)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)。的時(shí)鐘在的時(shí)間間隔總能提供沿轉(zhuǎn)換。

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

　　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ADC的滿標(biāo)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(shù)。

　　對(duì)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(tǒng)通過(guò)背板或另外連接分配參考時(shí)鐘，這會(huì)降低信號(hào)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(shí)源。圖1示出用NS公司的LMX2531時(shí)鐘合成實(shí)現(xiàn)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。

　　布線考慮

　　適當(dāng)?shù)慕拥睾瓦x定所有信號(hào)路線是保證信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。

　　用分離地平板對(duì)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(hào)輻射。當(dāng)線承載電流信號(hào)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(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(gè)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，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(gè)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，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(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(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(wèn)題，使輻射問(wèn)題。這允許輸出和返回電流彼此靠近流動(dòng)，而使RFI/EMI問(wèn)題。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(hào)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(kāi)。

　　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(dòng)。靠精細(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(gè)地平板消除環(huán)路區(qū)域，信號(hào)和電源線跡控制電流流動(dòng)。

　　模擬和數(shù)字元件應(yīng)放置在它們自己的專門(mén)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(duì)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(hào)元件的電源線。注意，電源承載信號(hào)電流，因?yàn)樗鼈冎匦鲁潆姲迳系呐月?a target="_blank">電容器。返回電流必須通過(guò)分離地平板的公共節(jié)，遠(yuǎn)離輸出線跡/通路流動(dòng)。此將形成有輻射的環(huán)路區(qū)域。有時(shí)模擬電路會(huì)拾取這種輻射。

　　上述所建議的布線會(huì)使ADC能提供的性能。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(yīng)在2cm或更短距離內(nèi)，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(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(dòng)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(dòng)器不能用模擬電源。

　　ADC數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器電源可以是ADC輸出驅(qū)動(dòng)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(gè)平板用分離的電源。ADC數(shù)字輸出電源，可以來(lái)自任何一個(gè)電源，但應(yīng)該用串聯(lián)扼流圈去耦。ADC模擬電源采用線性電壓穩(wěn)壓器。

　　假若任何數(shù)字電路供電電源和ADC輸出驅(qū)動(dòng)器電源是同一電源，并有信號(hào)線到板的另外區(qū)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(hào)線處。