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

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)化高速板線性性能的關(guān)鍵因素，本文討論高速差分ADC驅(qū)動(dòng)器中軌到軌和軌到地旁路電容應(yīng)該如何布局，以實(shí)現(xiàn)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，差分 ADC 驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)使用兩個(gè)單端運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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

通過(guò)將差分信號(hào)應(yīng)用于這些相同的路徑，各個(gè)運(yùn)算放大器將產(chǎn)生相同的二次諧波分量。作為 ADC 輸入端的共模信號(hào)，這些失真分量將像任何其他共模噪聲和干擾信號(hào)一樣被差分 ADC 抑制。

在之前的文章中，我們討論了需要對(duì)稱的 PCB 布局來(lái)保持兩個(gè)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)提供給負(fù)載的高頻電流。為了提供高頻差分電流，我們可以使用軌到地和軌到軌去耦電容器。

軌到軌與軌到地去耦結(jié)構(gòu)

對(duì)于圖 1 所示的結(jié)構(gòu)，輸送到負(fù)載的電流是不同的，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。圖 2 顯示了軌到地和軌到軌去耦選項(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)的電阻器。此外，我們假設(shè)使用了帶有專用接地層的多層板。  

圖 2.軌到地 (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)），高頻電流將從正軌的旁路電容（C bypass1）流向負(fù)載，然后流向負(fù)軌的旁路電容(C bypass2 ) 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。然而，實(shí)際上，節(jié)點(diǎn) A 和 B 是地平面上的兩個(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 以具有閉合電流路徑。因此，負(fù)載電流將通過(guò)接地層提供的最小阻抗路徑流回C bypass1的接地側(cè)。

這種結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)在于，在足夠靠近負(fù)載電流返回路徑的接地平面中流動(dòng)的任何電流都可以與負(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，并且較大的二次諧波將出現(xiàn)在 ADC 輸入端。

為了避免這些問(wèn)題，可以采用圖 2(b) 中的去耦結(jié)構(gòu)，其中在兩個(gè)電源軌之間放置一個(gè)旁路電容器。這樣，差分負(fù)載電流將遵循藍(lán)色箭頭所示的路徑，而不必流經(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)軌到軌旁路電容器 (C bypass4 )，如下圖 3 所示。

圖3

C bypass4提供的負(fù)載電流路徑用藍(lán)色箭頭表示。

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。

圖5

如你所見(jiàn)，流出兩個(gè)運(yùn)算放大器的共模電流將由正軌和地之間的旁路電容器（C bypass5和 C bypass7）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)流回接地平面中C bypass5和C bypass7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放置在負(fù)軌和地之間的旁路電容器（C bypass6和 C bypass8）提供。

軌到地電容可以提供共模和差分電流

雖然我們添加了 C bypass5、C bypass6、C bypass7和 C bypass8以提供共模電流，但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)地電容器可能會(huì)不必要地使差分負(fù)載電流流過(guò)不需要的接地層。為避免這種情況，我們可以放置能夠以對(duì)稱方式提供差分電流的軌到地旁路電容器，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(shuō)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 bypass5和 C bypass8可以提供一部分負(fù)載差動(dòng)電流。為了防止差分電流流過(guò)地平面，我們?cè)陔娐钒宓男盘?hào)層通過(guò)PCB走線將C bypass5和C bypass8的接地側(cè)連接在一起，并在中點(diǎn)（圖中節(jié)點(diǎn)A）將這條走線接地。對(duì)于差分信號(hào)，理論上節(jié)點(diǎn) A 應(yīng)該是虛地，差分電流不應(yīng)流入地平面（對(duì)于差分負(fù)載電流，I ground = 0）。同樣，我們將 C bypass6和 C bypass7彼此對(duì)稱，并在中點(diǎn)將兩個(gè)電容器之間的走線接地。您可以在這份 TI 應(yīng)用報(bào)告中找到應(yīng)用上述技術(shù)的布局示例。

最后一點(diǎn)，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。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)器中提取最大的線性度性能，我們需要一個(gè)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充電源可以將二次諧波分量降低 6 至 10dB。我們?nèi)匀恍枰墝?duì)地旁路電容器來(lái)提供共模電流。由于這些電容還可以提供一部分負(fù)載差分電流，我們需要將它們對(duì)稱布局，使差分負(fù)載電流無(wú)法流入地平面。

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