高精度、高分辨率模数转换器PCB走线技术

高精度、高分辨率模数转换器PCB走线技术

随着新型转换器设计类型的改进，大多数模拟数字转换器变成了数字转换器。即使有这样的变化，PCB电路布线的设计并没有改变。本文将介绍使用连续逼近缓冲器和Sigma Delta 的模数转换器的接线方法。

最初，模数转换器大多由模拟电路组成。由于新设计类型的改进，大多数缓慢的模数转换器变成了数字转换器。即使芯片中模拟变为数字，电路板的布线工作也没有改变。目前仍然如此。布线设计人员在处理混合信号电路时，仍然需要基本的布线知识才能使布线良好地工作。本文讨论了使用连续逼近缓冲器 (SAR) 和 Sigma Delta 的模数转换器的电路板布线。

连续逼近缓冲器转换器布线

SAR模数转换器的分辨率有8位、10位、12位、16位，有时还有18位。最初，这些转换器的制造工艺和结构是双载波和R-2R梯形电阻网络。然而，这些组件最近已成为使用电容器充电和分配技术的 CMOS 制造方案。这些转换器的系统接线不会随此变化而改变。除了高分辨率组件外，布线的基本方式保持不变。这些组件需要更多注意，以避免转换器的串行或并行输出接口的数字反馈。

根据电路系统和芯片的模块结构的不同，SAR转换器显然属于模拟器件。

在此框图中，采样/保持、比较器、大多数数模转换器和 12 位 SAR 都是模拟的；电路的其余部分是数字的。因此，该转换器中的模拟电路消耗了大部分功率和电流，而数字电路除了数模转换器和接口中的小开关电流外，消耗很少的电流。

circuit board

这种类型的转换器有多个接地和电源引脚。这些引脚名称经常被误解为根据引脚名称来区分数字和模拟。然而，这些引脚名称并没有明确表示与系统和电路板连接的含义。它们区分数字和模拟电流如何流出芯片。知道了这些信息，明白了芯片的主要组成部分是模拟，将电源和地线放在同一平面，比如模拟平面，是有意义的。

这些组件通常有两个从芯片引出的接地引脚：AGND 和 DGND。电源仅使用一根腿。该芯片电路板接线时，AGND和DGND均接模拟地；模拟和数字电源端子也应连接到模拟电源层，或至少连接到模拟电源接线，并添加适当的旁路电容，并尽可能靠近接地和电源端子。这些器件（如 MCP3201）只有 1 个接地引脚和 1 个电源引脚，唯一原因是封装引脚数量的限制。然而，如果数字和模拟引脚分开，转换器将获得良好的精度和再现性。

所有转换器的电源接线方式为：将所有接地、正负电源引脚连接至模拟面。另外，与输入信号相关的“COM”或“IN”引脚应尽可能靠近信号地连接。

对于高分辨率 SAR 转换器（16 和 18 位转换器），有必要将数字噪声与安静的模拟转换器和电源层分离。将这些组件连接到微控制器时，应使用外部数字缓冲器以实现干净的操作环境；尽管这些类型的 SAR 转换器通常在数字输出处具有内部双缓冲器，但外部缓冲器的使用进一步将转换器内的模拟电路与数字总线噪声隔离。本系统应采用适当的功率处理模式。

注意：当使用高分辨率SAR模数转换器时，转换器电源和地应连接到模拟表面。模数转换器的数字输出应有缓冲器，需使用外部三态输出缓冲器。这些缓冲器将模拟和数字表面分开并提供高驱动能力。

精确的 Sigma Delta 布线

精确的 Sigma Delta 模数转换器在芯片中大部分是数字的。在制造此类转换器的早期，用户通过电路板的铜箔表面将数字噪声与模拟噪声分开。 SAR模数转换器可以有多个模拟接地引脚、数字接地引脚和电源接地引脚。同样，数字或模拟设计工程师的总体趋势是将这些引脚连接到每个接地或电源表面。不幸的是，这种趋势可能会产生误导，特别是在解决 16 至 24 位精确组件的噪声问题时。

具有10Hz数据转换速率的高分辨率Sigma Delta转换器，其频率（内部或外部）可高达10MHz或20MHz。该高频用于维持调制器和超级采样引擎电路的运行。与 SAR 转换器的情况一样，该组件的 AGND 和 DGND 引脚连接到同一接地层。另外，模拟和数字电源引脚应连接在一起，并且最好位于电路板的同一层。模拟和数字电源表面的要求与高分辨率SAR转换器的要求相同。

接地是必须的，也就是说至少要用两层板。在该双层板上，接地层应至少覆盖 75% 的面积。这种接地的目的是减少接地电阻和电感，隔离电磁干扰和无线电波干扰。如果无法阻止信号走线穿过电路板的地平面，则信号走线应尽可能短并垂直于接地电流的返回路径。

结论

无需分离低分辨率模数转换器 - 例如，6 位、8 位甚至 10 位转换器的模拟和数字引脚。然而，随着所选转换器的分辨率/精度提高，布线条件变得更加严格。高分辨率SAR和Sigma Delta模数转换器，这两个元件必须直接连接到低噪声的模拟接地和电源层。 PCB设计及PCB加工厂家讲解高精度、分辨率模拟数字转换器的PCB布线技术。