高精度、高分辨率模數轉換器PCB走線技術

隨著新型轉換器設計類型的改進，大多數模擬數字轉換器變成了數字轉換器。 即使有這樣的變化，PCB電路布線的設計并沒有改變。 本文將介紹使用連續逼近緩沖器和Sigma Delta 的模數轉換器的接線方法。

最初，模數轉換器大多由模擬電路組成。 由于新設計類型的改進，大多數緩慢的模數轉換器變成了數字轉換器。 即使芯片中模擬變為數字，電路板的布線工作也沒有改變。 目前仍然如此。 布線設計人員在處理混合信號電路時，仍然需要基本的布線知識才能使布線良好地工作。 本文討論了使用連續逼近緩沖器 (SAR) 和 Sigma Delta 的模數轉換器的電路板布線。

連續逼近緩沖器轉換器布線

SAR模數轉換器的分辨率有8位、10位、12位、16位，有時還有18位。 最初，這些轉換器的制造工藝和結構是雙載波和R-2R梯形電阻網絡。 然而，這些組件最近已成為使用電容器充電和分配技術的 CMOS 制造方案。 這些轉換器的系統接線不會隨此變化而改變。 除了高分辨率組件外，布線的基本方式保持不變。 這些組件需要更多注意，以避免轉換器的串行或并行輸出接口的數字反饋。

根據電路系統和芯片的模塊結構的不同，SAR轉換器顯然屬于模擬器件。

在此框圖中，采樣/保持、比較器、大多數數模轉換器和 12 位 SAR 都是模擬的； 電路的其余部分是數字的。 因此，該轉換器中的模擬電路消耗了大部分功率和電流，而數字電路除了數模轉換器和接口中的小開關電流外，消耗很少的電流。

這種類型的轉換器有多個接地和電源引腳。 這些引腳名稱經常被誤解為根據引腳名稱來區分數字和模擬。 然而，這些引腳名稱并沒有明確表示與系統和電路板連接的含義。 它們區分數字和模擬電流如何流出芯片。 知道了這些信息，明白了芯片的主要組成部分是模擬，將電源和地線放在同一平面，比如模擬平面，是有意義的。

這些組件通常有兩個從芯片引出的接地引腳：AGND 和 DGND。 電源僅使用一根腿。 該芯片電路板接線時，AGND和DGND均接模擬地； 模擬和數字電源端子也應連接到模擬電源層，或至少連接到模擬電源接線，并添加適當的旁路電容，并盡可能靠近接地和電源端子。 這些器件（如 MCP3201）只有 1 個接地引腳和 1 個電源引腳，唯一原因是封裝引腳數量的限制。 然而，如果數字和模擬引腳分開，轉換器將獲得良好的精度和再現性。

所有轉換器的電源接線方式為：將所有接地、正負電源引腳連接至模擬面。 另外，與輸入信號相關的“COM”或“IN”引腳應盡可能靠近信號地連接。

對于高分辨率 SAR 轉換器（16 和 18 位轉換器），有必要將數字噪聲與安靜的模擬轉換器和電源層分離。 將這些組件連接到微控制器時，應使用外部數字緩沖器以實現干凈的操作環境； 盡管這些類型的 SAR 轉換器通常在數字輸出處具有內部雙緩沖器，但外部緩沖器的使用進一步將轉換器內的模擬電路與數字總線噪聲隔離。 本系統應采用適當的功率處理模式。

注意：當使用高分辨率SAR模數轉換器時，轉換器電源和地應連接到模擬表面。 模數轉換器的數字輸出應有緩沖器，需使用外部三態輸出緩沖器。 這些緩沖器將模擬和數字表面分開并提供高驅動能力。

精確的 Sigma Delta 布線

精確的 Sigma Delta 模數轉換器在芯片中大部分是數字的。 在制造此類轉換器的早期，用戶通過電路板的銅箔表面將數字噪聲與模擬噪聲分開。 SAR模數轉換器可以有多個模擬接地引腳、數字接地引腳和電源接地引腳。 同樣，數字或模擬設計工程師的總體趨勢是將這些引腳連接到每個接地或電源表面。 不幸的是，這種趨勢可能會產生誤導，特別是在解決 16 至 24 位精確組件的噪聲問題時。

具有10Hz數據轉換速率的高分辨率Sigma Delta轉換器，其頻率（內部或外部）可高達10MHz或20MHz。 該高頻用于維持調制器和超級采樣引擎電路的運行。 與 SAR 轉換器的情況一樣，該組件的 AGND 和 DGND 引腳連接到同一接地層。 另外，模擬和數字電源引腳應連接在一起，并且最好位于電路板的同一層。 模擬和數字電源表面的要求與高分辨率SAR轉換器的要求相同。

接地是必須的，也就是說至少要用兩層板。 在該雙層板上，接地層應至少覆蓋 75% 的面積。 這種接地的目的是減少接地電阻和電感，隔離電磁干擾和無線電波干擾。 如果無法阻止信號走線穿過電路板的地平面，則信號走線應盡可能短并垂直于接地電流的返回路徑。

結論

無需分離低分辨率模數轉換器 - 例如，6 位、8 位甚至 10 位轉換器的模擬和數字引腳。 然而，隨著所選轉換器的分辨率/精度提高，布線條件變得更加嚴格。 高分辨率SAR和Sigma Delta模數轉換器，這兩個元件必須直接連接到低噪聲的模擬接地和電源層。 PCB設計及PCB加工廠家講解高精度、分辨率模擬數字轉換器的PCB布線技術。