用于降低差分ADC驅(qū)動(dòng)器諧波失真的PCB布局技術(shù)

PCB布局是優(yōu)化高速板線性度性能的關(guān)鍵因素。 本系列的前幾篇文章討論了減少二次諧波失真的一些基本技術(shù)。 這篇文章，靈感來自TI文檔”高速印刷電路板布局技術(shù)“，試圖詳細(xì)討論如何在高速差分ADC驅(qū)動(dòng)器中布置軌到軌和軌到地旁路電容，以實(shí)現(xiàn)最大可能的線性度性能。

采用單端運(yùn)算放大器的差分ADC驅(qū)動(dòng)器

如圖1所示，差分ADC驅(qū)動(dòng)器可通過采用兩個(gè)單端運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)。

圖1. 使用兩個(gè)相同的單端運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)差分ADC驅(qū)動(dòng)器

將差分信號(hào)施加到這些相同的路徑上時(shí)，各個(gè)運(yùn)算放大器將產(chǎn)生相同的二次諧波分量。 這些失真分量在ADC輸入端顯示為共模信號(hào)，與任何其他共模噪聲和干擾信號(hào)一樣，差分ADC將抑制這些失真分量。

在上一篇文章中，我們討論了對(duì)稱印刷電路板布局需要保持兩條單端路徑相同并衰減二次諧波。 在本文中，我們將討論如何布置運(yùn)算放大器的去耦電容，以實(shí)現(xiàn)最大可能的線性度性能。

我們知道 去耦電容器充當(dāng)電荷源 并提供運(yùn)算放大器應(yīng)向負(fù)載提供的高頻電流。 為了提供高頻差分電流，我們可以使用軌對(duì)地和軌到軌去耦電容器。

軌到軌與軌到地面解耦結(jié)構(gòu)

采用圖1所示結(jié)構(gòu)，輸送到負(fù)載的電流是差分的，即當(dāng)上部運(yùn)算放大器向負(fù)載提供電流時(shí)，下部支路吸收電流，反之亦然。 讓我們考慮一下上部運(yùn)算放大器提供負(fù)載電流，而下部路徑吸收負(fù)載電流的情況。 軌對(duì)地和軌到軌去耦選項(xiàng)以及電流路徑如圖2所示。 請(qǐng)注意，為簡(jiǎn)單起見，本圖中未顯示放大級(jí)的電阻。 此外，我們假設(shè)采用具有專用接地層的多層板。

圖2. 軌對(duì)地 （a） 和軌到軌 （b） 去耦結(jié)構(gòu)

采用軌對(duì)地去耦結(jié)構(gòu)（圖2（a）），高頻電流將從正電源軌（C旁路1） 到負(fù)載，然后到負(fù)軌的旁路電容器 （C旁路2）如藍(lán)色箭頭所示。 電路原理圖暗示節(jié)點(diǎn)A和B都位于地面，藍(lán)色箭頭所示的路徑是電流的閉合路徑。 然而，實(shí)際上，節(jié)點(diǎn)A和B是接地層上的兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)，電流應(yīng)該從節(jié)點(diǎn)B流向節(jié)點(diǎn)A，以獲得閉合的電流路徑。 因此，負(fù)載電流將通過接地層提供的阻抗最小的路徑流回C的接地側(cè)旁路1.

這種結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)在于，在接地層中流動(dòng)的任何足夠接近負(fù)載電流返回路徑的電流都可以與負(fù)載電流耦合并改變它。 此外，如果負(fù)載電流返回路徑從節(jié)點(diǎn)B到A出現(xiàn)任何不對(duì)稱，ADC驅(qū)動(dòng)器的單端路徑之間的對(duì)稱性將受到影響，ADC輸入端將出現(xiàn)更大的二次諧波。

為了避免這些問題，可以采用圖2（b）中的去耦結(jié)構(gòu)，在兩個(gè)電源軌之間放置一個(gè)旁路電容。 這樣，差分負(fù)載電流將沿著藍(lán)色箭頭所示的路徑流動(dòng)，而不必流過接地層。 根據(jù)TI 文檔，軌到軌旁路電容器可將二次諧波失真降低6至10dB。 請(qǐng)注意，為了提供相反方向的差分負(fù)載電流，我們需要包括另一個(gè)軌到軌旁路電容（C旁路4） 如下圖 3
所示。

圖3

C 提供的負(fù)載電流路徑旁路4 由藍(lán)色箭頭顯示。

共模電流呢？

采用圖1所示結(jié)構(gòu)，運(yùn)算放大器提供的電流主要是差分電流，可由軌到軌去耦電容提供。 但是，我們?nèi)匀豢梢允褂眯〉墓材ｋ娏髟?例如，假設(shè)噪聲分量耦合到兩個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入，并略微提高這些節(jié)點(diǎn)的電壓。 這將產(chǎn)生從兩個(gè)運(yùn)算放大器流出的共模電流。 如圖4所示，這樣的共模電流將為PCB走線的雜散電容充電。

圖4

請(qǐng)注意，軌到軌旁路電容無法提供這些共模電流。 在圖4中，運(yùn)算放大器必須直接通過電源和接地導(dǎo)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(duì)地旁路電容，如圖5所示。

圖5

如您所見，從兩個(gè)運(yùn)算放大器流出的共模電流將由正電源軌和地之間的旁路電容提供（C旁路5 和C旁路7）。 該共模電流將為走線的寄生電容充電。 因此，返回電流將從寄生電容的接地側(cè)流回C的接地側(cè)旁路5 和 C旁路7在接地層中。 類似地，兩個(gè)運(yùn)算放大器吸收的共模電流將由放置在負(fù)電源軌和地之間的旁路電容提供（C旁路6 和 C旁路8）。

軌對(duì)地電容可提供共模和差分電流

雖然我們添加了 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(fù)載的一部分高頻差分電流。 如圖2（a）所示，使用軌對(duì)地電容會(huì)不必要地使差分負(fù)載電流流過接地層，這是不需要的。 為了避免這種情況，我們可以放置能夠以對(duì)稱方式提供差分電流的軌對(duì)地旁路電容器，并在中點(diǎn)將它們之間的走線接地。 圖6 以圖形方式對(duì)此進(jìn)行了最佳說明。

圖6

上圖顯示了上部運(yùn)算放大器提供負(fù)載電流，而下部路徑吸收負(fù)載電流的情況。 在這種情況下，C旁路5 和 C旁路8可以提供部分負(fù)載差動(dòng)電流。 為了防止差分電流流過接地層，我們連接C的接地側(cè)旁路5 和 C旁路8通過電路板信號(hào)層上的PCB走線一起，并將該走線在中點(diǎn)（圖中的節(jié)點(diǎn)A）接地。 對(duì)于差分信號(hào)，節(jié)點(diǎn)A理論上應(yīng)該是虛擬地，差分電流不應(yīng)流入接地層（I地=0對(duì)于差分負(fù)載電流）。 同樣，我們放置 C旁路6 和 C旁路7 彼此對(duì)稱，并在中點(diǎn)處將兩個(gè)電容器之間的走線接地。 您可以在 中找到應(yīng)用上述技術(shù)的示例布局 此 TI應(yīng)用報(bào)告。

最后，值得一提的是，這些技術(shù)也適用于基于全差分運(yùn)算放大器的ADC驅(qū)動(dòng)器。 有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱我上面提到的 TI 文檔。

結(jié)論

為了從差分ADC驅(qū)動(dòng)器中提取最大線性度性能，我們需要對(duì)稱的PCB布局。 采用軌到軌旁路電容器作為高頻差分電流的主要電荷源可將二次諧波分量降低6至10dB。 我們?nèi)匀恍枰墝?duì)地旁路電容來提供共模電流。 由于這些電容器還可以提供一部分負(fù)載差分電流，因此我們需要對(duì)稱布置它們，以使差分負(fù)載電流無法流入接地層。