「技術文章」ADC的PCB設計原來理論是這樣

PCB版圖是優化高速電路板線性性能的關鍵因素。本系列前面的文章討論了一些減少二次諧波失真的基本技術。本文的靈感來自TI文檔高速PCB版圖技術，試圖詳細討論如何在高速差分ADC驅動器中配置軌對軌和軌對地旁路電容器，以實現最大可能的線性性能。

如圖1所示，差分ADC驅動器可以通過使用兩個單端運算放大器來實現。

圖1使用兩個相同的單端運算放大器實現差分ADC驅動器

當差分信號應用于這些相同的路徑時，各個運算放大器將產生相同的二次諧波分量。在ADC輸入端顯示為共模信號，這些失真分量將被差分ADC抑制，就像任何其他共模噪聲和干擾信號一樣。

在上一篇文章中，我們討論了對稱PCB布局需要保持兩個單端路徑相同并衰減二次諧波。在這篇文章中，我們將討論如何布置運算放大器的去耦電容，以達到最大可能的線性性能。

我們知道去耦電容器作為電荷源并提供運算放大器應提供給負載的高頻電流。為了提供高頻差分電流，我們可以使用軌對地和軌對軌去耦電容器。

在圖1所示的結構中，傳輸到負載的電流是差分的，即當上部運算放大器向負載供電時，下部分支吸收電流，反之亦然。讓我們考慮這樣一種情況，上面的運算放大器提供負載電流，而下面的路徑吸收它。rail-to-ground和rail-to-rail解耦選項以及當前路徑如圖2所示。注意，在這個圖中，為了簡單起見，放大級的電阻沒有顯示。此外，我們假設使用帶有專用接地板的多層板。

圖2軌對地（a）和軌對軌（b）解耦結構

采用軌對地解耦結構（圖2（a）），高頻電流將從正軌（C）的旁路電容器流出旁路1)再到負載，再到負軌的旁路電容器（C旁路2)如藍色箭頭所示。電路示意圖表明節點A和B都在地面上，藍色箭頭所示的路徑是電流的閉合路徑。然而，從A到B的電流和B兩個節點應該是閉合的。因此，負載電流將通過接地層提供的最小阻抗路徑流回C的接地側旁路1 .

這種結構所面臨的挑戰是，在足夠靠近負載電流回流路徑的接地層中流動的任何電流都可以與負載電流耦合并改變負載電流。此外，如果負載電流返回路徑從節點B到A的不對稱性，則ADC驅動器的單端路徑之間的對稱性將受到影響，并且在ADC輸入端會出現較大的二次諧波。

在圖2所示的兩個結構之間，可以采用并聯電容器（b）來解決這兩個問題。這樣，差動負載電流將沿著藍色箭頭所示的路徑流動，并且不必流過接地層。根據TI文件一個軌對軌旁路電容器可以減少6-10dB的二次諧波失真。注意，為了提供相反方向的差動負載電流，我們需要包括另一個軌對軌旁路電容器（C旁路4)如下圖3所示

在圖1所示的結構中，運算放大器提供的電流主要是差分的，可以由軌對軌去耦電容器提供。然而，我們仍然可以有小的共模電流元件。例如，假設一個噪聲分量耦合到兩個運算放大器的非反相輸入端，并稍微提高這些節點的電壓。這將產生從兩個運算放大器流出的共模電流。如圖4所示，這種共模電流將對PCB線路的雜散電容充電。

圖4

注意，軌對軌旁路電容器不能提供這些共模電流。在圖4中，運算放大器必須直接通過電源和接地導體提供高頻共模電流分量，這是不需要的。因此，我們需要添加軌對地旁路電容器，如圖5所示。

如您所見，從兩個運算放大器流出的共模電流將由正極導軌和接地（C）之間的旁路電容器提供旁路5和C旁路7). 此共模電流將對記錄道的寄生電容充電。因此，回路電流將從寄生電容的接地側流回C的接地側旁路5和C旁路7在地平面上。同樣，由兩個運算放大器產生的共模電流將由放置在負軌和接地（C）之間的旁路電容器提供旁路6和C旁路8 ).

當我們加上C旁路5，C旁路6，C旁路7，和C旁路8為了提供共模電流，這些電容器還將提供負載的一部分高頻差分電流。如圖2（a）所示，使用軌對地電容器會不必要地使差動負載電流流過不需要的接地層。為了避免這種情況，我們可以放置軌道對地旁路電容器，這種電容器可以以對稱的方式提供差分電流，并將它們之間的軌跡在中點接地。這在圖6中得到了最好的圖解說明。

圖6

上圖顯示了上部運算放大器產生負載電流，而下部通路吸收負載電流的情況。在這種情況下，C旁路5和C旁路8可提供部分負載差動電流。為了防止差動電流流過接地層，我們連接了C的接地側旁路5和C旁路8通過線路板信號層上的一條PCB跡線，并在中點（圖中的節點a）接地。對于差分信號，節點a理論上應為虛擬接地，且差動電流不應流入接地層（I地面=0 for a differential load current). Similarly, we place C旁路6和C旁路7彼此對稱，并在中點處將兩個電容器之間的跡線接地。您可以在中找到應用上述技術的示例布局本申請表 .

最后，值得一提的是，這些技術也適用于基于全差分運算放大器的ADC驅動器。更多信息，請參考我上面提到的TI文件。

為了從差分ADC驅動器中獲得最大的線性性能，我們需要一個對稱的PCB布局。采用軌對軌旁路電容器作為高頻差分電流的主充電源，可以降低6～10dB的二次諧波分量。我們仍然需要軌對地旁路電容器來提供共模電流。由于這些電容器也能提供一部分負載差動電流，所以我們需要將它們對稱布置，這樣負載差動電流就不會流入接地層。