本系列的前兩期重點(diǎn)介紹嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的可配置性，以及如何在所有用例中保持ADC性能。一旦你理解了這一點(diǎn)，你就可以設(shè)定適當(dāng)?shù)钠谕⒗^續(xù)實(shí)施設(shè)計(jì)。

本系列的第三部分討論了如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)以滿足預(yù)期性能，并介紹了解決噪聲問題的原理圖和布局概念。

電源解耦

為ADC提供穩(wěn)定的電源和基準(zhǔn)電壓源是電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素。對(duì)于分布在印刷電路板 （PCB） 上的電源，這意味著在微控制器 （MCU） 和其他集成電路 （IC） 電源和接地引腳之間提供低阻抗路徑，并在電源和接地之間提供低阻抗。這種低阻抗是反比關(guān)系，頻率以電容表示，阻抗Z與頻率成反比。相反，更多的電感路徑將是高阻抗，因?yàn)樽杩古c頻率成正比。

提供低阻抗路徑的最常見方法是使用電源層和去耦電容。然而，由于布局選擇和元件放置不當(dāng)，這些方法的有效性通常會(huì)受到影響。最經(jīng)典的例子是使用細(xì)走線和長走線（電感比電容更感）將去耦電容或過孔（到電源層）連接到電源和接地器件引腳。擁擠的球柵陣列封裝類型可能使避免長而窄的走線更具挑戰(zhàn)性，但在規(guī)劃逃生布線時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮電源阻抗。

圖1顯示了另一個(gè)簡單但經(jīng)常被忽視的錯(cuò)誤，即相對(duì)于電源層通孔和電源引腳去耦電容放置。由于去耦電容未放置在電源源極和引腳之間，因此額外的走線長度的電感會(huì)降低電容的有效性。

圖 1：相對(duì)于過孔和器件的去耦電容器位置

分離式模擬和數(shù)字電源

雖然大多數(shù)MCU具有單個(gè)電源軌或建議連接數(shù)字和模擬電源軌，但您可以分離模擬和數(shù)字電源（以及接地回路），以提供與系統(tǒng)其余部分的隔離。鐵氧體磁珠或通過0Ω電阻短路通常會(huì)提供足夠的阻抗來分離電源。提供單獨(dú)的模擬和數(shù)字電源時(shí)，請(qǐng)記住有關(guān)這兩個(gè)電源之間關(guān)系的任何要求。兩者之間允許的電壓差通常相對(duì)較小。同樣，鐵氧體磁珠或0Ω電阻提供足夠的阻抗來分離電源，但又足夠小以最小化電壓差。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓源

一些ADC使用MCU電源作為基準(zhǔn)電壓源，因此更加重視電源去耦。其他MCU提供內(nèi)部帶隙電路，以在內(nèi)部生成基準(zhǔn)電壓源;還有一些提供接口以從外部提供基準(zhǔn)電壓源。通常，外部引用可提供最高質(zhì)量，但您仍然需要良好的布局實(shí)踐來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的性能。

雖然可以將電源層專用于基準(zhǔn)電壓，但這通常成本高昂且不受歡迎。為了最小化基準(zhǔn)電壓源和ADC基準(zhǔn)電壓源輸入之間的阻抗，使走線寬度盡可能寬和短。去耦電容的位置（如圖2所示）提供了一條低阻抗接地路徑，并且還應(yīng)遵循相同的電源去耦建議［1］。

圖 2：簡單 ADC 基準(zhǔn)電壓源電路

信號(hào)路由

除了提供干凈的電源外，信號(hào)本身還需要沒有任何意外信號(hào)或干擾。不需要的信號(hào)可能是傳導(dǎo)或輻射發(fā)射的結(jié)果。由于發(fā)射源并不總是可控的，讓我們看一些簡單的方法來降低信號(hào)跡線對(duì)干擾的敏感性。

在談?wù)撘赘行詴r(shí)，它可以幫助確定三個(gè)組成部分：侵略者、受害者和媒介。侵略者是輻射或傳導(dǎo)干擾的來源。在本討論中，受害者是ADC輸入。介質(zhì)是傳導(dǎo)或輻射干擾的路徑。本次信號(hào)路由討論的目的是解決介質(zhì)問題，以衰減從攻擊者傳輸?shù)绞芎φ叩哪芰俊?/p>

降低敏感性的一種方法是使傳感器和ADC之間的模擬走線盡可能短。圖3顯示了由信號(hào)和返回路徑產(chǎn)生的電感環(huán)路區(qū)域。減小信號(hào)路徑將縮小環(huán)路面積并降低環(huán)路的電感，使其不易受到侵略者電路磁場(chǎng)的影響。

圖3還說明了信號(hào)層下方接地層的重要性。通過直接在信號(hào)路徑下方提供平面，返回路徑可以遵循阻抗（電感）最小的路徑。接地層中的分離（或不提供任何接地層）將導(dǎo)致返回電流找到備用路徑，這通常會(huì)導(dǎo)致更高的阻抗和電磁兼容性（EMC）問題。

圖 3：環(huán)路面積和信號(hào)路徑距離

使介質(zhì)效率降低的另一種方法是使其更長，為信號(hào)衰減提供更大的距離。這是使敏感的模擬信號(hào)遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)的主要原因，例如脈寬調(diào)制器（PWM）和通信線路（I2C、通用異步接收器發(fā)射器 ［UART］、串行外設(shè)接口 ［SPI］）。一個(gè)好的規(guī)則是將這些數(shù)字信號(hào)保持在距離模擬信號(hào)至少兩倍的走線寬度。對(duì)于某些設(shè)計(jì)，您必須打破此規(guī)則，并且信號(hào)必須交叉路徑（在單獨(dú)的層上）。在這種情況下，最好通過90度交叉將耦合面積保持在最小水平，并在可能的情況下在信號(hào)層之間插入接地層。

接地層和接地走線（保護(hù)走線）是衰減介質(zhì)的另一種有效方法。信號(hào)層上的接地澆注（共面澆注）以及保護(hù)走線可以進(jìn)一步降低高頻下信號(hào)到地的阻抗。為了確保接地路徑是低阻抗的，保護(hù)走線和接地傾倒寬度需要足夠?qū)捯越档碗姼小Ｒ粋€(gè)好的規(guī)則是信號(hào)跡線寬度的兩倍。使用共面接地澆注和保護(hù)走線的另一個(gè)好做法是沿信號(hào)路徑使用多個(gè)過孔。這被稱為通孔“縫合”，因?yàn)檫^孔位于信號(hào)的兩側(cè)，類似于縫紉圖案。在內(nèi)部信號(hào)層上方和下方使用接地層也可以最大限度地減少耦合并屏蔽敏感的模擬走線。

布局規(guī)劃

如果計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)信號(hào)路由和使用前面部分中討論的電源層要容易得多。如果沒有重要的規(guī)劃步驟，開發(fā)人員可以輕松地將自己路由到PCB的角落，除了擦除和重新開始之外，沒有其他恢復(fù)方法。

你應(yīng)該記住兩件事。首先是電路板堆疊。電源層和接地層提供低阻抗路徑，并且是固有的屏蔽，但增加層會(huì)增加電路板成本。雖然成本可能是一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，但如果不對(duì)PCB進(jìn)行必要的投資，實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量將非常困難。

要記住的第二件事是，從MCU開始將敏感的模擬電路與嘈雜的數(shù)字電路分開。一些制造商有意將與模擬相關(guān)的功能分組到芯片或封裝的一側(cè)，以幫助開發(fā)人員將這些信號(hào)與器件上的其他數(shù)字信號(hào)隔離開來。另一個(gè)有助于分離模擬和數(shù)字信號(hào)的MCU功能是引腳映射。引腳映射為自定義數(shù)字輸出位置提供了更大的靈活性，以解決應(yīng)用和與模擬信號(hào)分離的問題。

作為旁注，如果模擬信號(hào)通過引腳映射器，或者即使模擬信號(hào)與其他數(shù)字信號(hào)多路復(fù)用，也應(yīng)確認(rèn)專用和多路復(fù)用（與數(shù)字共享）模擬引腳之間的模擬性能一致。有時(shí)（但并非總是如此），數(shù)字模塊周圍的保護(hù)電路會(huì)對(duì)共享該引腳的模擬信號(hào)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

通過良好的規(guī)劃并遵守良好的電路和布局實(shí)踐，可以在定制設(shè)計(jì)中獲得ADC的數(shù)據(jù)手冊(cè)性能。在某些情況下，您無法消除電路設(shè)計(jì)或PCB布局中的噪聲。這些應(yīng)用適用于差分信號(hào)，其中噪聲被視為共模并由ADC抑制。本系列的最后一期也是最后一期將介紹差分信號(hào)，以及它如何解決設(shè)計(jì)內(nèi)外的噪聲問題。

審核編輯：郭婷