高解析度ADC 的板布線

    高速ADC(模/數變換器)是各種應用領域(如質譜儀，超聲，激光雷達/雷達，電信收發機模塊等)中關鍵的模擬處理元件。無論應用是基於時域或頻域，都需要ADC最高的動態性能。更快和更高解析度的ADC，可使超聲系統具有更詳明的圖像，使通信系統具有更高數據的處理能力。
    隨著14 位或更高解析度ADC 的採樣率繼續提高到百兆採樣範圍，隨之而來的是系統設計人員必須成為時鐘設計和分配及板布線方面的專家。
    本文描述的是系統設計方面的一些關鍵性問題，特別關注印製電路板(PCB)地和電源平面布線技術。現代化的ADC需要現代化的板設計。沒有精確的時鐘源或仔細設計的板布線，則高性能變換器將達不到其性能指標。
    單IF外差接收機結構和高級的功率放大器線性化演算法，正在對ADC 性能提出要求。這樣的系統正在把變換器的固有抖動性能推向低於1/2 PS。同樣，測試儀器工程師需要在寬頻內有非常低的雜訊性能，以便高級頻譜分析儀開發。
    因此，高速數據變換系統中最重要的子電路是時鐘源。這是因為時鐘信號的定時精度會直接影響ADC 的動態性能。
    為了使這種影響最小，ADC 時鐘源必須具有非常低的定時抖動或相位雜訊。若在選擇時鐘電路時不考慮這種因數，則系統動態性能不會好。這與前端模擬輸入電路的質量或變換器的固有抖動性能無關。精確的時鐘在精確的時間間隔總能提供沿轉換。
    實際上，時鐘沿在連續變化的時間間隔到達。因此，這種定時的不確定性，可以藉助數據變換過程綜合評估採樣波形的信噪比。
最大時鐘抖動由下式確定：
Tj(rms)=(VIN(p-p) /VINFSR）×(1/(2(N+1)×π×fin)
    假若輸入電壓(VIN)等於ADC 的滿標範圍(VINFSR)，則抖動要求變為ADC 解析度(N 位)和被採樣輸入頻率(fin)的因數。
    對於70MHz 輸入頻率，總抖動要求是：
Tj(rms)=1× (1/215π×70×106))
Tj(rms)=140fs
    由於很多系統通過背板或另外連接分配參考時鐘，這會降低信號質量，所以，通常用本機振蕩器(低相位雜訊的VCXD)做為ADC的定時源。圖1 示出用NS公司的LMX2531 時鐘合成實現定時產生。連接到定時產生器的LMX2531 由可編程分頻器合成器輸出，給出小於100毫微微秒的抖動性能。
 

布線考慮
    適當的接地和選定所有信號路線是保證精確信號轉換的關鍵。
    用分離地平板對於10位ADC 的50MSPS 和12 位ADC的30~35MSPS工作良好。超出此範圍，額外的電路雜訊是明顯的，而且分離的地平板也可引起信號輻射。當線承載電流信號時，會在跨越平板間分離處發生問題。
    模擬元件集中在板的模擬區域，數字元件集成在板的數字區域。這樣可保持模擬和數字返回電流彼此遠離(圖2)。圖3 示出帶一個分離地平板的板圖。這是為了隔離模擬和數字地電流，而且可使ADC 雜訊最小，但忽視了EMI效應。另模擬元件集中在板的模擬區域，數字元件集成在板的數字區域。這樣可保持模擬和數字返回電流彼此遠離(圖2)。圖3 示出帶一個分離地平板的板圖。這是為了隔離模擬和數字地電流，而且可使ADC雜訊最小，但忽視了EMI效應。另外，當用電源跡線控制模擬和數字電源通路時，返回ADC電流必脫離輸出電流通路。這會產生可輻射的電流環路區域。
 
    用分離的地平板和電源板可以消除環路區域問題，使輻射問題最小。這允許輸出和返回電流彼此靠近流動，而使RFI/EMI 問題最小。然而，元件的相互放置是非常重要的，共同的模擬和數字返回電流通路在模擬電路可能引起數字雜訊。我們知道，高頻或高沿率信號留心高電阻，甚至在地平板中需要保持模擬和數字返回電流彼此分離開。
    注意，鄰近效應導致輸出和返回電流儘可能彼此靠近流動。靠精細的元件放置和所有線跡(包括電源線)考慮周到的選定路線，可以控制地平板中的返回電流通路。地返回電流將流經各自的輸出線跡，因此，保持模擬和數字返回電流彼此遠離是可能的。
    單個地平板消除環路區域，信號和電源線跡控制電流流動。
    模擬和數字元件應放置在它們自己的專門PCB 區域。電源應放置在板邊沿或者角落和模擬與數字區域之間。
    電源布線對雜訊性能也是關鍵。數字元件(特別是高速大功率數字元件)不能放置、也不能靠近模擬返回電流流回電源的通路。這就是數字元件不應放置在靠近承載模擬電流的線或到模擬和混合信號元件的電源線。注意，電源承載信號電流，因為它們重新充電板上的旁路電容器。返回電流必須通過分離地平板的公共節，遠離輸出線跡/通路流動。此將形成有輻射的環路區域。有時模擬電路會拾取這種輻射。
    上述所建議的布線會使ADC 能提供最好的性能。歸納其要求如下：

• 用一個整體單一化的地平板。不要分開地平板。若多板層中有多個地平板，則應在2cm或更短距離內，用一個通孔柵條把它們連接在一起。
• 分開電源平板，每個電源平板保持在相同板層中。應該分離模擬電路電源平板、數字電路電源平板和ADC 數字輸出驅動器的電源平板。
• ADC數字芯核電源用模擬電源，但ADC 數字驅動器不能用模擬電源。
• ADC數字輸出驅動器電源可以是ADC 輸出驅動元件的相同電源。
• 把所有模擬元件和連線放置在模擬電源平板之上，把所有數字元件和連線放置在數字電源平板之上。
• 每個平板用分離的電源。ADC 數字輸出電源，可以來自任何一個電源，但應該用串聯扼流圈去耦。ADC 模擬電源最好採用線性電壓穩壓器。
• 假若任何數字電路供電電源和ADC輸出驅動器電源是同一電源，並有信號線到板的另外區域，則這兩個電源平板之間用電容器。把這些電容器放置在緊靠信號線處