「技术文章」ADC的PCB设计原来理论是这样

PCB版图是优化高速电路板线性性能的关键因素。本系列前面的文章讨论了一些减少二次谐波失真的基本技术。本文的灵感来自TI文档高速PCB版图技术，试图详细讨论如何在高速差分ADC驱动器中配置轨对轨和轨对地旁路电容器，以实现最大可能的线性性能。

如图1所示，差分ADC驱动器可以通过使用两个单端运算放大器来实现。

图1使用两个相同的单端运算放大器实现差分ADC驱动器

当差分信号应用于这些相同的路径时，各个运算放大器将产生相同的二次谐波分量。在ADC输入端显示为共模信号，这些失真分量将被差分ADC抑制，就像任何其他共模噪声和干扰信号一样。

在上一篇文章中，我们讨论了对称PCB布局需要保持两个单端路径相同并衰减二次谐波。在这篇文章中，我们将讨论如何布置运算放大器的去耦电容，以达到最大可能的线性性能。

我们知道去耦电容器作为电荷源并提供运算放大器应提供给负载的高频电流。为了提供高频差分电流，我们可以使用轨对地和轨对轨去耦电容器。

在图1所示的结构中，传输到负载的电流是差分的，即当上部运算放大器向负载供电时，下部分支吸收电流，反之亦然。让我们考虑这样一种情况，上面的运算放大器提供负载电流，而下面的路径吸收它。rail-to-ground和rail-to-rail解耦选项以及当前路径如图2所示。注意，在这个图中，为了简单起见，放大级的电阻没有显示。此外，我们假设使用带有专用接地板的多层板。

图2轨对地（a）和轨对轨（b）解耦结构

采用轨对地解耦结构（图2（a）），高频电流将从正轨（C）的旁路电容器流出旁路1)再到负载，再到负轨的旁路电容器（C旁路2)如蓝色箭头所示。电路示意图表明节点A和B都在地面上，蓝色箭头所示的路径是电流的闭合路径。然而，从A到B的电流和B两个节点应该是闭合的。因此，负载电流将通过接地层提供的最小阻抗路径流回C的接地侧旁路1 .

这种结构所面临的挑战是，在足够靠近负载电流回流路径的接地层中流动的任何电流都可以与负载电流耦合并改变负载电流。此外，如果负载电流返回路径从节点B到A的不对称性，则ADC驱动器的单端路径之间的对称性将受到影响，并且在ADC输入端会出现较大的二次谐波。

在图2所示的两个结构之间，可以采用并联电容器（b）来解决这两个问题。这样，差动负载电流将沿着蓝色箭头所示的路径流动，并且不必流过接地层。根据TI文件一个轨对轨旁路电容器可以减少6-10dB的二次谐波失真。注意，为了提供相反方向的差动负载电流，我们需要包括另一个轨对轨旁路电容器（C旁路4)如下图3所示

在图1所示的结构中，运算放大器提供的电流主要是差分的，可以由轨对轨去耦电容器提供。然而，我们仍然可以有小的共模电流元件。例如，假设一个噪声分量耦合到两个运算放大器的非反相输入端，并稍微提高这些节点的电压。这将产生从两个运算放大器流出的共模电流。如图4所示，这种共模电流将对PCB线路的杂散电容充电。

图4

注意，轨对轨旁路电容器不能提供这些共模电流。在图4中，运算放大器必须直接通过电源和接地导体提供高频共模电流分量，这是不需要的。因此，我们需要添加轨对地旁路电容器，如图5所示。

如您所见，从两个运算放大器流出的共模电流将由正极导轨和接地（C）之间的旁路电容器提供旁路5和C旁路7). 此共模电流将对记录道的寄生电容充电。因此，回路电流将从寄生电容的接地侧流回C的接地侧旁路5和C旁路7在地平面上。同样，由两个运算放大器产生的共模电流将由放置在负轨和接地（C）之间的旁路电容器提供旁路6和C旁路8 ).

当我们加上C旁路5，C旁路6，C旁路7，和C旁路8为了提供共模电流，这些电容器还将提供负载的一部分高频差分电流。如图2（a）所示，使用轨对地电容器会不必要地使差动负载电流流过不需要的接地层。为了避免这种情况，我们可以放置轨道对地旁路电容器，这种电容器可以以对称的方式提供差分电流，并将它们之间的轨迹在中点接地。这在图6中得到了最好的图解说明。

图6

上图显示了上部运算放大器产生负载电流，而下部通路吸收负载电流的情况。在这种情况下，C旁路5和C旁路8可提供部分负载差动电流。为了防止差动电流流过接地层，我们连接了C的接地侧旁路5和C旁路8通过线路板信号层上的一条PCB迹线，并在中点（图中的节点a）接地。对于差分信号，节点a理论上应为虚拟接地，且差动电流不应流入接地层（I地面=0 for a differential load current). Similarly, we place C旁路6和C旁路7彼此对称，并在中点处将两个电容器之间的迹线接地。您可以在中找到应用上述技术的示例布局本申请表 .

最后，值得一提的是，这些技术也适用于基于全差分运算放大器的ADC驱动器。更多信息，请参考我上面提到的TI文件。

为了从差分ADC驱动器中获得最大的线性性能，我们需要一个对称的PCB布局。采用轨对轨旁路电容器作为高频差分电流的主充电源，可以降低6～10dB的二次谐波分量。我们仍然需要轨对地旁路电容器来提供共模电流。由于这些电容器也能提供一部分负载差动电流，所以我们需要将它们对称布置，这样负载差动电流就不会流入接地层。