优化PCB布局实现高速ADC设计

优化PCB布局实现高速ADC设计高速设计往往易被忽视或者相称重要。系统电路板布局已成为设计自身的一种重要构成部分，因此，我们必须理解影响高速信号链路设计性能的机制。 尽管身为工程师，但我们也很也许“制造”较多麻烦。因此，切忌过度挑剔而使CAD工程师陷入设计困境，这并不能给性能带来任何改善。 不要忘掉裸露焊盘 裸露焊盘有时会被忽视，而它对充足发挥信号链路性能和协助器件散热却非常重要。裸露焊盘在ADI公司我们一般称之为引脚0，是目前大多数器件下方的焊盘。它是一种重要的接点，一般芯片的所有内部接地都是通过它而连接到器件下方的中心点。 您与否已注意到目前有许多转换器和放大器都缺少接地引脚？裸露焊盘就是其因素所在。核心是要将此引脚妥善固定(即焊接)到印刷电路板(PCB)，而实现鲁棒的电气和热连接，否则，系统设计也许遭到多种破坏。 运用裸露焊盘实现最佳电气和热连接基本分为三个环节。一方面，在也许的状况下，在PCB的各层上都复制裸露焊盘，这将为所有接地和接地层提供较厚的热连接而实现迅速散热。 此环节与大功率器件和具有多通道的应用有关。在电气方面，这将为所有接地层提供良好的等电位连接。您甚至还可以在底层复制裸露焊盘(图1)，这可作为去耦用热风焊盘接地点和安装底侧散热器的位置。 另一方面，将裸露焊盘分割成棋盘似的多种相似部分。这可以通过两种方式实现：在敞开的裸露焊盘上使用丝网印刷交叉阴影线或者阻焊膜。此环节可以保证器件与PCB之间的鲁棒连接。在回流焊组装工艺中，无法拟定焊锡膏如何流动并最后将器件连接到PCB。 浮现的问题是,连接也许存在但分布却不均匀。也许仅仅得到一种连接并且连接很小，或者更糟糕的是，此连接位于拐角处。将裸露焊盘分割成较小部分,可以保证每个区域均有一种连接点，从而实现更鲁棒的、均匀连接的裸露焊盘(图2和图3)。 最后，应当保证各部分均有过孔连接到地。各区域一般都很大，足以放置多种过孔。组装之前，务必用焊锡膏或者环氧树脂填充每个过孔，这一步非常重要，可以保证裸露焊盘焊锡膏不会回流到这些过孔空洞中，而减少对的连接的机率。 电子设计技术网站版权所有，谢绝转载 去耦和平面电容 有时我们会忽视使用去耦的目的，而仅仅在电路板上分散许多数值的电容，使较低阻抗的电源连接到地。但问题仍然存在：究竟需要多少电容？ 许多文献表达，应使用多种电容和多种数值来减少输电系统(PDS)的阻抗，但这并非完全对的。事实上，仅需选择对的数值和对的“种类”的电容，就能减少PDS的阻抗。 例如我们要设计10m的参照平面，如果在系统电路板上使用多种电容值，便可减少在500MHz频率范畴内的阻抗，如图4中的红色曲线所示。 图4：原则的去耦电容可以协助减少高达500MHz的PDS阻抗，而频率超过500MHz时则由平面电容解决。理解所用电容可以减少设计中所用电容的数量和类型。 然而，让我们再看一下绿色曲线，其在同样的设计上仅使用了0.1F和10F两种电容。这证明了如果使用恰当的电容，则不需要采用如此多的电容值。这也有助于节省布局和物料清单(BOM)成本。 然而，并非所有的电容“生来平等”，虽然来源于同一供应商，其工艺、尺寸和样式也有差别。如果未使用对的的电容，则不管是采用多种电容还是采用几种不同类型的电容，其成果都会给PDS带来反作用。 放置电容或者使用不同的电容工艺和型号均有也许形成电感环路，它们将对系统内的频率做出不同响应以及彼此之间发生谐振(图5)。 理解系统所用电容类型的频率响应非常重要。随便选用电容会让设计低阻抗PDS系统的努力付诸东流。 要设计出合格的PDS，需要使用多种电容(再会图4)。PCB上使用的典型电容值只能将直流或者接近直流的约500MHz频率范畴内的阻抗减少。在500MHz以上时，电容将由PCB形成的内部电容决定。电源平面和接地平面与否叠置得足够紧密？ 为此，请设计一种支持较大平面电容的PCB层叠构造。例如，六层堆叠构造也许涉及顶部信号层、第一接地层、第一电源层、第二电源层、第二接地层和底部信号层。规定第一接地层和第一电源层在层叠构造中彼此接近。将这两层的间距设定为24mil，将形成一种固有的高频平面电容。 此电容的最大长处在于它免费，您只需要在PCB制造笔记中进行阐明即可。如果必须分割电源平面，并在同一平面上具有多种VDD电源轨，则应使用尽量大的电源平面。不要留下空洞，同步还应注意敏感电路。这将使该VDD平面的电容达到最大。 如果设计容许存在额外的层(本例中由六层变为八层)，则应将两个额外的接地平面放在第一和第二电源平面之间。在核心间距同样为23mil的状况下，层叠构造的固有电容将会加倍(图6)。此构造更易于设计，然后，可添加更多分立高频电容以保持低阻抗。 图6：通过设计具有邻近电源平面和地平面的PCB堆叠构造，可在PCB中得到高频电容。这将在较高频率下满足较低阻抗。 电子设计技术网站版权所有，谢绝转载 对于PDS而言，将响应电源电流需求时浮现的电压纹波降至最低非常重要，但这点却常被忽视。所有电路都需要电流，有些电路需求量较大，有些电路则需要以较快的速率提供电流。采用充足去耦的低阻抗电源或接地平面以及良好的PCB层叠，可以将因电路电流需求而产生的电压纹波降至最低。 根据使用的去耦方略，如果系统设计的开关电流为1A且PDS的阻抗为10m，则最大电压纹波为10mV。计算公式很简朴：V=IR。 凭借完美的PCB堆叠，便可覆盖高频范畴，同步，在电源平面的起始入口点和大功率或浪涌电流器件周边使用老式去耦，便可覆盖低频范畴(500MHz)。这将保证PDS阻抗在整个频率范畴内均为最低。 没有必要在各处都布置电容，也没有必要为了把电容布置在正对着每个IC的位置，而破坏所有的制造规则。如果需要采用这种过激的措施，则阐明电路中存在其他问题。 平面耦合 某些布局不可避免地具有重叠电路平面(图7)。有些状况下也许是敏感的模拟平面(无论是电源、接地还是信号)，下一层则是高噪声的数字平面。大多数设计人员觉得这无关紧要，由于该平面位于另一层。因此，我们来做一种简朴测试。 以某一层为例，在任一平面上注入信号。目前将与该相邻层交叉耦合的另一层连接至频谱分析仪。可以看到有多少信号耦合到了相邻层吧？虽然两者间距为40mil，在某种意义上它却仍是电容，因此，在某些频率下仍会耦合信号至相邻平面(图8)。 图8：高频处，原则FR4材料上的层间耦合也许无处不在(4060dB)，请注意隔离。对于特定设计也许足够，但隔离应视应用而定。 举例来说，某层上的高噪声数字平面具有高速开关的1V信号，这意味着，另一层上将会“看到”1mV的耦合(约60dB的隔离)。对具有2Vp-p满量程摆幅的12位模拟数字转换器(ADC)，这是2个最低有效位(LSB)的耦合。对于特定系统而言，这也许不成问题，但应注意，如果提高2位(从12位增至14位)，敏捷度只会提高四倍，即8个LSB。 忽视这种平面间耦合，很也许使系统失效，或者影响设计性能。这里必须指出的是，两个平面间存在的耦合也许超过想象。 在感爱好的频谱内发现噪声耦合时应注意这一点。有时布局决定了非预期信号或是平面将被交叉耦合到不同的层，在调试敏感系统时请记住这一点。该问题也许出目前下面一层。 电子设计技术网站版权所有，谢绝转载 分离地 全球模拟信号链设计人员最常提出的问题是，使用ADC时与否应当将地平面分离成AGND和DGND地平面？简朴回答是：视状况而定。 具体回答则是：一般不分离。在大多数状况下，盲目分离地平面只会增长返回电流的电感，因此，它所带来的害处不小于好处。还记得公式V=L(di/dt)吗？随着电感增长，电压噪声会提高。 随着电感增长，您始终努力减少的PDS阻抗也会增长。随着增长ADC采样速率的需求继续增长，增长开关电流的措施却只有这些。因此，除非有理由分离地平面，否则请保持这些接地连接。 核心是电路合理分割，这样就不必分离地平面(图9)。请注意，如果布局容许将各电路保持在各自区域内，便无需分离地平面。如此分割可以提供星型接地，因此，可将返回电流局限在特定的电路部分。例如，受尺寸限制的影响而使得电路板无法实现良好布局分割的状况。这也许是为了符合老式设计或尺寸规定而必须将恶劣的总线电源或高噪声的数字电路放在特定区域的缘故。这种状况下，分离地平面是实现良好性能的核心。 图9：对于每一应用地平面分离也许并无必要，由于鲁棒的高速设计建立在固态PCB电路分区周边而将电流局限在特定区域。 然而，为使整体设计有效，还必须在电路板的某个地方用一种电桥或是连接点将这些地连接在一起。因此，应将连接点均匀地分布在分离的地平面上。 最后，PCB上的连接点往往成为使返回电流通过，而不会导致性能减少或者强行将返回电流耦合至敏感电路的最佳位置。如果此连接点位于转换器附近或下方，则主线无需分离接地。 本文小结 由于有关最佳布局的评论太多，因此在布局上的考虑总是令人困惑。技术和原则始终是ADI“设计文化”的一部分。在工程师倾向于借鉴以往设计经验的同步，产品的上市压力也使设计人员不肯去更改或是尝试新事物。她们拘泥于风险权衡，直至系统内浮现了重大问题。 在评估板、模块和系统层面，简朴的单一接地适合于所有状况。良好的电路分割才是核心，这也将影响到平面和相邻层的布局。请注意，如果敏感平面在高噪声数字平面之上，则有也许发生交叉耦合。 组装也是重要因素。提供应PCB车间或组装车间的制造笔记应善加运用，从而保证IC裸露焊盘和PCB之间具有可靠连接。因组装不良而导致的系统性能欠佳不计其数。 但是，接近电源平面入口点和转换器VDD引脚的去耦总是有利的。对于增长的、固有高频去耦，应运用4密尔(mil)或间距更小的紧密电源平面和地平面。此措施不会带来额外成本，只需花五分钟更新PCB制造笔记。 在设计高速、高辨别率转换器布局时，无法照顾到所有的具体特性。每一应用各不相似，有的甚至更为独特。但是，上述核心点却可以协助设计人员加深对将来系统设计的理解。