减少差分(fēn)ADC驱动器谐波失真的PCB布局技术

2021-02-22

使用(yòng)单端运算放大器的差分(fēn)ADC驱动器 

如图1所示，可(kě)以通过采用(yòng)两个单端运算放大器来实现差分(fēn)ADC驱动器。

 

图1.使用(yòng)两个相同的单端运算放大器来实现差分(fēn)ADC驱动器

将差分(fēn)信号施加到这些相同的路径后，各个运算放大器将产生相同的二次谐波分(fēn)量。这些失真分(fēn)量将在ADC输入端显示為(wèi)共模信号，就像其他(tā)任何共模噪声和干扰信号一样，将被差分(fēn)ADC抑制。

在上一篇文(wén)章中，我们讨论了需要对称的PCB布局以保持两条单端路径相同并衰减二次谐波。在本文(wén)中，我们将讨论如何布置运算放大器的去耦電(diàn)容器，以实现最大可(kě)能(néng)的線(xiàn)性性能(néng)。 

我们知道，去耦電(diàn)容器充当電(diàn)荷源，并提供运算放大器应传递给负载的高频電(diàn)流。為(wèi)了提供高频差分(fēn)電(diàn)流，我们可(kě)以使用(yòng)轨对地和轨对轨去耦電(diàn)容器。

轨到轨与轨到地去耦结构

采用(yòng)图1所示的结构，输送到负载的電(diàn)流是差分(fēn)的，即，当上部运算放大器向负载提供電(diàn)流时，下部分(fēn)支吸收電(diàn)流，反之亦然。让我们考虑上级运算放大器提供负载電(diàn)流而下级路径吸收负载電(diàn)流的情况。图2显示了轨对地和轨对轨去耦选项以及電(diàn)流路径。请注意，在该图中，為(wèi)简单起见未显示放大级的電(diàn)阻。此外，我们假设使用(yòng)具有(yǒu)专用(yòng)接地层的多(duō)层板。  

 

图2.轨对地（a）和轨对轨（b）去耦结构 

采用(yòng)轨至地去耦结构（图2（a）），高频電(diàn)流将从正轨的旁路電(diàn)容器（C旁路1）流向负载，然后流向负轨的旁路電(diàn)容器。 （C旁路2），如蓝色箭头所示。電(diàn)路原理(lǐ)图暗示节点A和B都处于地平面，蓝色箭头所示的路径是電(diàn)流的闭合路径。但是，实际上，节点A和B是接地平面上的两个不同的节点，并且電(diàn)流应从节点B流向节点A以具有(yǒu)闭合的電(diàn)流路径。因此，负载電(diàn)流将流经接地平面提供的最小(xiǎo)阻抗的路径，流回C旁路1的接地侧。 

这种结构的挑战在于，在接地平面中流动的，足够接近负载電(diàn)流返回路径的任何電(diàn)流都可(kě)以与负载電(diàn)流耦合并改变负载電(diàn)流。此外，如果负载電(diàn)流返回路径从节点B到A经历任何不对称，则ADC驱动器的单端路径之间的对称性将受到影响，并且ADC输入端将出现较大的二次谐波。 

為(wèi)了避免这些问题，可(kě)以在两个電(diàn)源轨之间放置一个旁路電(diàn)容器时采用(yòng)图2（b）中的去耦结构。这样，差分(fēn)负载電(diàn)流将遵循蓝色箭头所示的路径，并且不必流经接地层。根据TI文(wén)档，轨到轨旁路電(diàn)容器可(kě)以将二次谐波失真降低6至10dB。请注意，為(wèi)了在相反方向上提供差分(fēn)负载電(diàn)流，我们需要包括另一个轨至轨旁路電(diàn)容器（Cpass4），如下图3所示。

 

图3 

C旁路4提供的负载電(diàn)流路径由蓝色箭头表示。 

那么共模電(diàn)流呢(ne)？

采用(yòng)图1所示的结构，运算放大器提供的電(diàn)流主要是差分(fēn)的，并且可(kě)以由轨至轨去耦電(diàn)容器提供。但是，我们仍然可(kě)以使用(yòng)较小(xiǎo)的共模電(diàn)流分(fēn)量。例如，假设噪声成分(fēn)耦合到两个运算放大器的同相输入，并稍微提高这些节点的電(diàn)压。这将产生从两个运放流出的共模電(diàn)流。如图4所示，这样的共模電(diàn)流将為(wèi)PCB走線(xiàn)的杂散電(diàn)容充電(diàn)。

 

图4 

请注意，轨到轨旁路電(diàn)容器无法提供这些共模電(diàn)流。在图4中，运算放大器必须直接通过電(diàn)源和接地导體(tǐ)提供高频共模電(diàn)流分(fēn)量，这是不希望的。因此，我们需要添加轨到地旁路電(diàn)容器，如图5所示。 

 

图5

如您所见，从两个运放流出的共模電(diàn)流将由正极和地之间的旁路電(diàn)容器（C旁路5和C旁路7）提供。该共模電(diàn)流将為(wèi)走線(xiàn)的寄生電(diàn)容充電(diàn)。因此，返回電(diàn)流将从寄生電(diàn)容的接地侧流回到接地平面中的C旁路5和C旁路7的接地侧。类似地，两个运算放大器吸收的共模電(diàn)流将由位于负電(diàn)源線(xiàn)和地之间的旁路電(diàn)容器（C旁路6和C旁路8）提供。 

轨至地電(diàn)容可(kě)提供共模電(diàn)流和差分(fēn)電(diàn)流

虽然我们添加了C旁路5，C旁路6，C旁路7和C旁路8来提供共模電(diàn)流，但这些電(diàn)容器还将提供负载的高频差分(fēn)電(diàn)流的一部分(fēn)。如图2（a）所示，使用(yòng)轨到地電(diàn)容器会不必要地使差分(fēn)负载電(diàn)流流过接地层，这是不希望的。為(wèi)避免这种情况，我们可(kě)以放置可(kě)对称地提供差分(fēn)電(diàn)流的轨至地旁路電(diàn)容器，并将它们之间的走線(xiàn)在中点接地。最好在图6中以图形方式说明。

 

图6

上图显示了高端运算放大器提供负载電(diàn)流而下部路径吸收负载電(diàn)流的情况。在这种情况下，C旁路5和C旁路8可(kě)以提供一部分(fēn)负载差分(fēn)電(diàn)流。為(wèi)了防止差动電(diàn)流流过接地层，我们通过板信号层上的PCB走線(xiàn)将C旁路5和C旁路8的接地侧连接在一起，并将该走線(xiàn)在中点接地（图中的节点A）。对于差分(fēn)信号，理(lǐ)论上节点A应该是虚拟接地，并且差分(fēn)電(diàn)流不应流入接地层（对于差分(fēn)负载電(diàn)流，I ground = 0）。同样，我们放置C旁路6和C旁路7彼此对称，并将两个電(diàn)容器之间的走線(xiàn)在中点接地。