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高速PCB布局:高速差分ADC驅(qū)動(dòng)器軌至軌和軌至地旁路電容器布置方案

PCB線路板打樣 ? 來(lái)源:汽車電子硬件設(shè)計(jì) ? 作者:汽車電子硬件設(shè)計(jì) ? 2021-03-01 10:37 ? 次閱讀

概述

PCB布局是優(yōu)化高速板的線性性能時(shí)的關(guān)鍵因素。本系列中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)。本文受TI文檔“高速PCB布局技術(shù)”的啟發(fā),試圖詳細(xì)討論應(yīng)如何在高速差分ADC驅(qū)動(dòng)器中布置軌至軌和軌至地旁路電容器,以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo):最大可能的線性性能。

使用單端運(yùn)算放大器的差分ADC驅(qū)動(dòng)器

如圖1所示,可以通過(guò)采用兩個(gè)單端運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)差分ADC驅(qū)動(dòng)器。

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圖1.使用兩個(gè)相同的單端運(yùn)算放大器來(lái)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后,各個(gè)運(yùn)算放大器將產(chǎn)生相同的二次諧波分量。這些失真分量將在ADC輸入端顯示為共模信號(hào),就像其他任何共模噪聲和干擾信號(hào)一樣,將被差分ADC抑制。

在上一篇文章中,我們討論了需要對(duì)稱的PCB布局以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器,以實(shí)現(xiàn)最大可能的線性性能。

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)傳遞給負(fù)載的高頻電流。為了提供高頻差分電流,我們可以使用軌對(duì)地和軌對(duì)軌去耦電容器。

軌到軌與軌到地去耦結(jié)構(gòu)

采用圖1所示的結(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),下部分支吸收電流,反之亦然。讓我們考慮上級(jí)運(yùn)算放大器提供負(fù)載電流而下級(jí)路徑吸收負(fù)載電流的情況。圖2顯示了軌對(duì)地和軌對(duì)軌去耦選項(xiàng)以及電流路徑。請(qǐng)注意,在該圖中,為簡(jiǎn)單起見(jiàn)未顯示放大級(jí)的電阻。此外,我們假設(shè)使用具有專用接地層的多層板。

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

采用軌至地去耦結(jié)構(gòu)(圖2(a)),高頻電流將從正軌的旁路電容器(C旁路1)流向負(fù)載,然后流向負(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都處于地平面,藍(lán)色箭頭所示的路徑是電流的閉合路徑。但是,實(shí)際上,節(jié)點(diǎn)A和B是接地平面上的兩個(gè)不同的節(jié)點(diǎn),并且電流應(yīng)從節(jié)點(diǎn)B流向節(jié)點(diǎn)A以具有閉合的電流路徑。因此,負(fù)載電流將流經(jīng)接地平面提供的最小阻抗的路徑,流回C旁路1的接地側(cè)。

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

為了避免這些問(wèn)題,可以在兩個(gè)電源軌之間放置一個(gè)旁路電容器時(shí)采用圖2(b)中的去耦結(jié)構(gòu)。這樣,差分負(fù)載電流將遵循藍(lán)色箭頭所示的路徑,并且不必流經(jīng)接地層。根據(jù)TI文檔,軌到軌旁路電容器可以將二次諧波失真降低6至10dB。請(qǐng)注意,為了在相反方向上提供差分負(fù)載電流,我們需要包括另一個(gè)軌至軌旁路電容器(Cpass4),如下圖3所示。

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圖3C旁路4提供的負(fù)載電流路徑由藍(lán)色箭頭表示。

那么共模電流呢?

采用圖1所示的結(jié)構(gòu),運(yùn)算放大器提供的電流主要是差分的,并且可以由軌至軌去耦電容器提供。但是,我們?nèi)匀豢梢允褂幂^小的共模電流分量。例如,假設(shè)噪聲成分耦合到兩個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入,并稍微提高這些節(jié)點(diǎn)的電壓。這將產(chǎn)生從兩個(gè)運(yùn)放流出的共模電流。如圖4所示,這樣的共模電流將為PCB走線的雜散電容充電。

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圖4

請(qǐng)注意,軌到軌旁路電容器無(wú)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(guò)電源和接地導(dǎo)體提供高頻共模電流分量,這是不希望的。因此,我們需要添加軌到地旁路電容器,如圖5所示。

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圖5

如您所見(jiàn),從兩個(gè)運(yùn)放流出的共模電流將由正極和地之間的旁路電容器(C旁路5和C旁路7)提供。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)流回到接地平面中的C旁路5和C旁路7的接地側(cè)。類似地,兩個(gè)運(yùn)算放大器吸收的共模電流將由位于負(fù)電源線和地之間的旁路電容器(C旁路6和C旁路8)提供。

軌至地電容可提供共模電流和差分電流

雖然我們添加了C旁路5,C旁路6,C旁路7和C旁路8來(lái)提供共模電流,但這些電容器還將提供負(fù)載的高頻差分電流的一部分。如圖2(a)所示,使用軌到地電容器會(huì)不必要地使差分負(fù)載電流流過(guò)接地層,這是不希望的。為避免這種情況,我們可以放置可對(duì)稱地提供差分電流的軌至地旁路電容器,并將它們之間的走線在中點(diǎn)接地。最好在圖6中以圖形方式說(shuō)明。

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圖6

上圖顯示了高端運(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可以提供一部分負(fù)載差分電流。為了防止差動(dòng)電流流過(guò)接地層,我們通過(guò)板信號(hào)層上的PCB走線將C旁路5和C旁路8的接地側(cè)連接在一起,并將該走線在中點(diǎn)接地(圖中的節(jié)點(diǎn)A)。對(duì)于差分信號(hào),理論上節(jié)點(diǎn)A應(yīng)該是虛擬接地,并且差分電流不應(yīng)流入接地層(對(duì)于差分負(fù)載電流,Iground= 0)。同樣,我們放置C旁路6和C旁路7彼此對(duì)稱,并將兩個(gè)電容器之間的走線在中點(diǎn)接地。您可以在TI應(yīng)用報(bào)告中找到采用上述技術(shù)的布局示例。

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)參考我上面提到的TI文檔。

結(jié)論

為了從差分ADC驅(qū)動(dòng)器提取最大線性性能,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,可以將二次諧波分量降低6至10dB。我們?nèi)匀恍枰壷恋嘏月冯娙萜鱽?lái)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)稱地布置它們,以使差分負(fù)載電流不會(huì)流入接地層。
編輯:hfy

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