PCB布線設(shè)計(jì)（四）
最初，模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器起源于模擬范例，其中物理硅的大部分是模擬。隨著新的設(shè)計(jì)拓?fù)鋵W(xué)發(fā)展，此范例演變?yōu)椋诘退貯/D轉(zhuǎn)換器中數(shù)字占主要部分。盡管A/D轉(zhuǎn)換器片內(nèi)由模擬占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓴?shù)字占主導(dǎo)，PCB的布線準(zhǔn)則卻沒(méi)有改變。當(dāng)布線設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)混合信號(hào)電路時(shí)，為實(shí)現(xiàn)有效布線，仍需要關(guān)鍵的布線知識(shí)。本文將以逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器和∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器為例，探討A/D轉(zhuǎn)換器所需的PCB布線策略。
圖1. 12位CMOS逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖。此轉(zhuǎn)換器使用了由電容陣列形成的電荷分布。
逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的布線
逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器有8位、10位、12位、16位以及18位分辨率。最初，這些轉(zhuǎn)換器的工藝和結(jié)構(gòu)是帶R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的雙極型。但是最近，采用電容電荷分布拓?fù)鋵⑦@些器件移植到了CMOS工藝。顯然，這種移植并沒(méi)有改變這些轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)布線策略。除較高分辨率的器件外，基本的布線方法是一致的。對(duì)于這些器件，需要特別注意防止來(lái)自轉(zhuǎn)換器串行或并行輸出接口的數(shù)字反饋。
從電路和片內(nèi)專用于不同領(lǐng)域的資源來(lái)看，模擬在逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器中占主導(dǎo)地位。圖1是一個(gè)12位CMOS逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖。
此轉(zhuǎn)換器使用了由電容陣列形成的電荷分布。
在此方框圖中，采樣/保持、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的大部分以及12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器都是模擬的。電路的其余部分是數(shù)字的。因此，此轉(zhuǎn)換器所需的大部分能量和電流都用于內(nèi)部模擬電路。此器件需要很小的數(shù)字電流，只有D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字接口會(huì)發(fā)生少量開(kāi)關(guān)。
這些類型的轉(zhuǎn)換器可以有多個(gè)地和電源連接引腳。引腳名經(jīng)常會(huì)引起誤解，因?yàn)榭捎靡_標(biāo)號(hào)區(qū)分模擬和數(shù)字連接。這些標(biāo)號(hào)并非意在描述到PCB的系統(tǒng)連接，而是確定數(shù)字和模擬電流如何流出芯片。知道了此信息，并了解了片內(nèi)消耗的主要資源是模擬的，就會(huì)明白在相同平面（如模擬平面）上連接電源和地引腳的意義。
例如，10位和12位轉(zhuǎn)換器典型樣片的引腳配置如圖2所示。圖2. 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)論其分辨率是多少位，通常至少有兩個(gè)地連接端：AGND和DGND。此處以Microchip的A/D轉(zhuǎn)換器 MCP4008和MCP3001為例。
圖2. 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)論其分辨率是多少位，通常至少有兩個(gè)地連接端：AGND和DGND。此處以Microchip的A/D轉(zhuǎn)換器 MCP4008和MCP3001為例。對(duì)于這些器件，通常從芯片引出兩個(gè)地引腳：AGND和DGND。電源有一個(gè)引出引腳。當(dāng)使用這些芯片實(shí)現(xiàn)PCB布線時(shí)，AGND和DGND應(yīng)該連接到模擬地平面。模擬和數(shù)字電源引腳也應(yīng)該連接到模擬電源平面或至少連接到模擬電源軌，并且要盡可能靠近每個(gè)電源引腳連接適當(dāng)?shù)呐月冯娙?。象MCP3201這樣的器件，只有一個(gè)接地引腳和一個(gè)正電源引腳，其唯一的原因是由于封裝引腳數(shù)的限制。然而，隔離開(kāi)地可增大轉(zhuǎn)換器具有良好和可重復(fù)精度的可能性。
對(duì)于所有這些轉(zhuǎn)換器，電源策略應(yīng)該是將所有的地、正電源和負(fù)電源引腳連接到模擬平面。而且，與輸入信號(hào)有關(guān)的‘COM’引腳或‘IN’引腳應(yīng)該盡量靠近信號(hào)地連接。
對(duì)于更高分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器（16位和18位轉(zhuǎn)換器），在將數(shù)字噪聲與“安靜”的模擬轉(zhuǎn)換器和電源平面隔離開(kāi)時(shí)，需要另外稍加注意。當(dāng)這些器件與單片機(jī)接口時(shí)，應(yīng)該使用外部的數(shù)字緩沖器，以獲得無(wú)噪聲運(yùn)行。盡管這些類型的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器通常在數(shù)字輸出側(cè)有內(nèi)部雙緩沖器，還是要使用外部緩沖器，以進(jìn)一步將轉(zhuǎn)換器中的模擬電路與數(shù)字總線噪聲隔離開(kāi)。
這種系統(tǒng)的正確電源策略如圖3所示。
圖3.對(duì)于高分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的電源和地應(yīng)該連接到模擬平面。然后，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出應(yīng)使用外部的三態(tài)輸出緩沖器緩沖。這些緩沖器除了具有高驅(qū)動(dòng)能力外，還具有隔離模擬和數(shù)字側(cè)的作用。
圖3.對(duì)于高分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的電源和地應(yīng)該連接到模擬平面。然后，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出應(yīng)使用外部的三態(tài)輸出緩沖器緩沖。這些緩沖器除了具有高驅(qū)動(dòng)能力外，還具有隔離模擬和數(shù)字側(cè)的作用。
高精度∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器的布線策略
高精度∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器硅面積的主要部分是數(shù)字。早期生產(chǎn)這種轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，范例中的這種轉(zhuǎn)變促使用戶使用PCB平面將數(shù)字噪聲和模擬噪聲隔離開(kāi)。與逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一樣，這些類型A/D轉(zhuǎn)換器可能有多個(gè)模擬地、數(shù)字地和電源引腳。數(shù)字或模擬設(shè)計(jì)工程師一般都傾向于將這些引腳分開(kāi)，分別連接到不同的平面。但是，這種傾向是錯(cuò)誤的，尤其是當(dāng)您試圖解決16位到24位精度器件的嚴(yán)重噪聲問(wèn)題時(shí)。
對(duì)于有10Hz數(shù)據(jù)速率的高分辨率∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器，加在轉(zhuǎn)換器上的時(shí)鐘（內(nèi)部或外部時(shí)鐘）可能為10MHz或20MHz。此高頻率時(shí)鐘用于開(kāi)關(guān)調(diào)制器和運(yùn)行過(guò)采樣引擎。對(duì)于這些電路，與逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一樣，AGND和DGND引腳也是在同一地平面上連接在一起。而且，模擬和數(shù)字電源引腳也最好在同一平面上連接在一起。對(duì)模擬和數(shù)字電源平面的要求與高分辨率逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器相同。
必須要有地平面，這意味著至少需要雙面板。在此雙面板上，地平面至少要覆蓋整個(gè)板面積的75%。地平面層的用途是為了降低接地阻抗和感抗，并提供對(duì)電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）的屏蔽作用。如果在電路板的地平面?zhèn)刃枰袃?nèi)部連接走線，那么走線要盡可能短并與地電流回路垂直。
結(jié)論
對(duì)于低精度的A/D轉(zhuǎn)換器，如六位、八位或甚至可能十位的A/D轉(zhuǎn)換器，模擬和數(shù)字引腳不分開(kāi)是可以的。但當(dāng)您選擇的轉(zhuǎn)換器精度和分辨率增加時(shí)，布線要求也更嚴(yán)格了。高分辨率逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器和∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器，都需要直接連接到低噪聲模擬地和電源平面。