減少差分ADC驅動(dòng)器諧波失真的PCB布局技術(shù)

2021-02-22

使用單端運算放大器的差分ADC驅動(dòng)器 

如圖1所示，可以通過(guò)采用兩個(gè)單端運算放大器來(lái)實(shí)現差分ADC驅動(dòng)器。

 

圖1.使用兩個(gè)相同的單端運算放大器來(lái)實(shí)現差分ADC驅動(dòng)器

將差分信號施加到這些相同的路徑后，各個(gè)運算放大器將產(chǎn)生相同的二次諧波分量。這些失真分量將在ADC輸入端顯示為共模信號，就像其他任何共模噪聲和干擾信號一樣，將被差分ADC抑制。

在上一篇文章中，我們討論了需要對稱(chēng)的PCB布局以保持兩條單端路徑相同并衰減二次諧波。在本文中，我們將討論如何布置運算放大器的去耦電容器，以實(shí)現最大可能的線(xiàn)性性能。 

我們知道，去耦電容器充當電荷源，并提供運算放大器應傳遞給負載的高頻電流。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。

軌到軌與軌到地去耦結構

采用圖1所示的結構，輸送到負載的電流是差分的，即，當上部運算放大器向負載提供電流時(shí)，下部分支吸收電流，反之亦然。讓我們考慮上級運算放大器提供負載電流而下級路徑吸收負載電流的情況。圖2顯示了軌對地和軌對軌去耦選項以及電流路徑。請注意，在該圖中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)未顯示放大級的電阻。此外，我們假設使用具有專(zhuān)用接地層的多層板。  

 

圖2.軌對地（a）和軌對軌（b）去耦結構 

采用軌至地去耦結構（圖2（a）），高頻電流將從正軌的旁路電容器（C旁路1）流向負載，然后流向負軌的旁路電容器。 （C旁路2），如藍色箭頭所示。電路原理圖暗示節點(diǎn)A和B都處于地平面，藍色箭頭所示的路徑是電流的閉合路徑。但是，實(shí)際上，節點(diǎn)A和B是接地平面上的兩個(gè)不同的節點(diǎn)，并且電流應從節點(diǎn)B流向節點(diǎn)A以具有閉合的電流路徑。因此，負載電流將流經(jīng)接地平面提供的最小阻抗的路徑，流回C旁路1的接地側。 

這種結構的挑戰在于，在接地平面中流動(dòng)的，足夠接近負載電流返回路徑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(diǎn)B到A經(jīng)歷任何不對稱(chēng)，則ADC驅動(dòng)器的單端路徑之間的對稱(chēng)性將受到影響，并且ADC輸入端將出現較大的二次諧波。 

為了避免這些問(wèn)題，可以在兩個(gè)電源軌之間放置一個(gè)旁路電容器時(shí)采用圖2（b）中的去耦結構。這樣，差分負載電流將遵循藍色箭頭所示的路徑，并且不必流經(jīng)接地層。根據TI文檔，軌到軌旁路電容器可以將二次諧波失真降低6至10dB。請注意，為了在相反方向上提供差分負載電流，我們需要包括另一個(gè)軌至軌旁路電容器（Cpass4），如下圖3所示。

 

圖3 

C旁路4提供的負載電流路徑由藍色箭頭表示。 

那么共模電流呢？

采用圖1所示的結構，運算放大器提供的電流主要是差分的，并且可以由軌至軌去耦電容器提供。但是，我們仍然可以使用較小的共模電流分量。例如，假設噪聲成分耦合到兩個(gè)運算放大器的同相輸入，并稍微提高這些節點(diǎn)的電壓。這將產(chǎn)生從兩個(gè)運放流出的共模電流。如圖4所示，這樣的共模電流將為PCB走線(xiàn)的雜散電容充電。

 

圖4 

請注意，軌到軌旁路電容器無(wú)法提供這些共模電流。在圖4中，運算放大器必須直接通過(guò)電源和接地導體提供高頻共模電流分量，這是不希望的。因此，我們需要添加軌到地旁路電容器，如圖5所示。 

 

圖5

如您所見(jiàn)，從兩個(gè)運放流出的共模電流將由正極和地之間的旁路電容器（C旁路5和C旁路7）提供。該共模電流將為走線(xiàn)的寄生電容充電。因此，返回電流將從寄生電容的接地側流回到接地平面中的C旁路5和C旁路7的接地側。類(lèi)似地，兩個(gè)運算放大器吸收的共模電流將由位于負電源線(xiàn)和地之間的旁路電容器（C旁路6和C旁路8）提供。 

軌至地電容可提供共模電流和差分電流

雖然我們添加了C旁路5，C旁路6，C旁路7和C旁路8來(lái)提供共模電流，但這些電容器還將提供負載的高頻差分電流的一部分。如圖2（a）所示，使用軌到地電容器會(huì )不必要地使差分負載電流流過(guò)接地層，這是不希望的。為避免這種情況，我們可以放置可對稱(chēng)地提供差分電流的軌至地旁路電容器，并將它們之間的走線(xiàn)在中點(diǎn)接地。最好在圖6中以圖形方式說(shuō)明。

 

圖6

上圖顯示了高端運算放大器提供負載電流而下部路徑吸收負載電流的情況。在這種情況下，C旁路5和C旁路8可以提供一部分負載差分電流。為了防止差動(dòng)電流流過(guò)接地層，我們通過(guò)板信號層上的PCB走線(xiàn)將C旁路5和C旁路8的接地側連接在一起，并將該走線(xiàn)在中點(diǎn)接地（圖中的節點(diǎn)A）。對于差分信號，理論上節點(diǎn)A應該是虛擬接地，并且差分電流不應流入接地層（對于差分負載電流，I ground = 0）。同樣，我們放置C旁路6和C旁路7彼此對稱(chēng)，并將兩個(gè)電容器之間的走線(xiàn)在中點(diǎn)接地。