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解析高精確度與分辨率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器布線技術(shù)

發(fā)布時間:2012-03-31

中心議題:

  • 連續(xù)逼近緩存器型轉(zhuǎn)換器布線
  • 精確的Sigma-Delta布線方式


轉(zhuǎn)換器在新設(shè)計型態(tài)改進(jìn)下,大多模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器多變成數(shù)字式。即使如此的改變,電路布線的設(shè)計并無改變,本文將介紹使用連續(xù)逼近緩存器型與Sigma-Delta型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之布線方式?! ?br />
最初模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器在芯片中大部份仍為模擬的電路組成。由于新設(shè)計型態(tài)的改進(jìn),慢速的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器大多變成數(shù)字式。即使在芯片中從模擬變成數(shù)字,電路板布線工作并沒有改變。目前仍是如此,布線設(shè)計者在處理混合訊號電路時,想使布線成效良好,仍需基本的布線常識。本文將探討使用連續(xù)逼近緩存器型(SAR)與Sigma-Delta型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之電路板布線方式。  

連續(xù)逼近緩存器型轉(zhuǎn)換器布線  

SAR 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之分辨率有 8 位、10 位、12 位、16 位,有時也有 18 位。起初,這些轉(zhuǎn)換器之制造程序和結(jié)構(gòu),分別是雙載子及 R-2R階梯電阻網(wǎng)絡(luò)。但最近這些組件已變成為使用電容充電分配技術(shù)的 CMOS 制造程序,這些轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)布線方式,不會隨這個轉(zhuǎn)變而改變。除高分辨率組件外,布線的基本方式仍然不變。這些組件需要多加注意,以避免轉(zhuǎn)換器串行或并列輸出接口的數(shù)字回授?! ?br />
就電路系統(tǒng)與芯片上不同的方塊結(jié)構(gòu)來*估,SAR 轉(zhuǎn)換器顯然是屬于模擬裝置。(圖一)所示為 12 位CMOS SAR 轉(zhuǎn)換器的方塊圖。

圖注:本轉(zhuǎn)換器使用充電分配至電容數(shù)組
 


圖一 12 位CMOS SAR 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的方塊圖  


在本方塊圖中,取樣/保持、比較器、大部份的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器及12位SAR都是模擬;其余電路部份是數(shù)字。結(jié)果,本轉(zhuǎn)換器內(nèi)之模擬電路耗用大部份的電源與電流,除數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器與接口中發(fā)生的小量切換電流外,數(shù)字電路的消耗電流極少?! ?br />
這類轉(zhuǎn)換器具有數(shù)支接地與電源接腳。這些接腳名稱經(jīng)常被誤解為可依其腳位名稱來區(qū)別數(shù)字或模擬。但這些腳位名稱并明確無表示,與系統(tǒng)和電路板連接之意義,它們是區(qū)別數(shù)字與模擬電流如何流出芯片。知道這項信息并了解芯片主要組成部份是模擬,讓電源與接地線放在同一平面上,例如模擬面就變得有意義?! ?br />
例如,10 位與 12 位轉(zhuǎn)換器典型樣本的腳位排列如(圖二)所示?! ?br />
圖注: 不管分辨率高低,通常至少有兩個接地連結(jié):  

AGND 與 DGND;此處圖解的轉(zhuǎn)換器為Microchip 的 MCP4008 與 MCP3001
 


圖二 SAR 轉(zhuǎn)換器  

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這些組件通常有兩支接地腳從芯片拉出:AGND 與 DGND。電源只用一只腳位。進(jìn)行這種芯片之電路板布線時,AGND 與 DGND 應(yīng)連至模擬接地面;模擬與數(shù)字電源接腳也應(yīng)連接至模擬電源層,或至少連接至模擬電源走線,加入適當(dāng)?shù)呐月冯娙萸冶M可能靠近接地與電源接腳端。這些組件如同 MCP3201只有一支接地腳及一支電源接腳的唯一原因,是因為包裝腳數(shù)之限制。但是,若將數(shù)字與模擬接腳分開會使轉(zhuǎn)換器得到良好的精確度與重現(xiàn)性?! ?br />
所有轉(zhuǎn)換器的電源布線方式是:連接所有接地、正與負(fù)電源接腳至模擬面。此外,連接與輸入信號相關(guān)的「COM」或「IN」接腳時應(yīng)盡可能靠近信號接地?! ?br />
高分辨率的 SAR 轉(zhuǎn)換器 (16 與 18 位轉(zhuǎn)換器),需要考慮從安靜之模擬轉(zhuǎn)換器與電源層分離出數(shù)字噪聲。當(dāng)連接這些組件至微控制器時,應(yīng)使用外部數(shù)字緩沖器以達(dá)到干凈的操作環(huán)境;雖然這些類型的SAR轉(zhuǎn)換器通常在數(shù)字輸出端具有內(nèi)部雙緩沖器,外部緩沖器的使用進(jìn)一步將轉(zhuǎn)換器內(nèi)的模擬電路與數(shù)字總線噪聲隔離。對這種系統(tǒng)適當(dāng)電源處理方式如(圖三)所示?! ?br />
圖注: 使用高分辨率 SAR 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換器電源與接地應(yīng)連接至模擬面。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出應(yīng)有緩沖器,使用外部三態(tài)輸出緩沖器。這些緩沖器隔開模擬面與數(shù)字面,并提供高驅(qū)動能力。
 


圖三 使用高分辨率 SAR 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換器電源與接地應(yīng)連接至模擬面  


精確的Sigma-Delta布線方式  

精確的Sigma-Delta 型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器在芯片內(nèi)絕大多數(shù)是數(shù)字。早期在制造出這種轉(zhuǎn)換器時,使用者藉由電路板銅箔面將數(shù)字噪聲與模擬噪聲分開。SAR 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器則可能有多支模擬接地腳、數(shù)字接地腳與電源接腳。再一次,數(shù)字或模擬設(shè)計工程師的一般傾向是將這些接腳分別接到各個接地或電源面上。很不幸的,這個傾向會產(chǎn)生誤導(dǎo),特別是在解 16 至 24 位精確組件的噪聲問題時?! ?br />
一具有10Hz數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率的高分辨率Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器,其頻率(內(nèi)部或外部)可以高達(dá) 10MHz 或 20MHz。這個高頻頻率用以維持調(diào)變器與超取樣引擎電路之運轉(zhuǎn)。如同SAR 轉(zhuǎn)換器的情形,這個組件的AGND 與 DGND 接腳是接到同一接地面上。此外,模擬與數(shù)字之電源接腳應(yīng)連接在一起,而且在電路板之同一層上更好。模擬與數(shù)字對電源面的要求條件與高分辨率 SAR 轉(zhuǎn)換器相同?! ?br />
接地面是一定需要的,也就是說至少需使用雙層板。在這塊雙層板上,接地面應(yīng)覆蓋至少 75% 的范圍。這個接地面的目的是,降低接地電阻及電感,并隔離電磁干擾與無線電波干擾。如果無法避免信號走線通過電路板的接地面上,信號走線盡可能地短并與接地電流返回路徑垂直?! ?br />
結(jié)論  

無須分開低分辨率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器──例如6位、8位,或甚至可能是10位轉(zhuǎn)換器的模擬與數(shù)字接腳。但隨著選用的轉(zhuǎn)換器分辨率/精確度的增加,布線條件也變得更嚴(yán)格。高分辨率SAR與 Sigma-Delta模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器, 這兩種組件必須直接連接到較低噪聲的模擬接地與電源層。

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