1. 簡介 要想了解在使用分辨率等于或高于 12 位 ADC 時可能發(fā)生的問題,需要確定 ADC 能夠處理多小的電壓值。電壓范圍為 2 V 的 8 位 ADC 能夠檢測最小電壓值為 2 V/256 = 0.008 V,即 8 mV 左右。盡管 8 mV 看上去比較小,讓我們把這個值和更高分辨率的 ADC 進行比較,表 1 顯示了對具有輸入范圍為±1 V 和分辨率為 8 到 20 位的各 ADC 進行的比較。 表 1. ADC 分辨率 當分辨率為 20 位時,ADC 能夠處理最小為 2 μV 的電壓。稍微提高增益,您可以處理低于 1 μV 的電壓。另外,包含窄輸入范圍(高 ADC 增益)的低分辨率 ADC 系統(tǒng)也可以處理微伏范圍的電壓值。 使用低分辨率ADC時,1 mV以下的偏移和噪聲源是無意義的。但使用12位到20位ADC時,該值將起著重要作用。 未習慣于敏感模擬電路的設計師會容易忽略這些偏差。目前的電子產品越來越小,因此單是較小的電路板幾何形狀就能引起許多問題。 2. 走線電阻確實很重要 當 PCB 縮小時,走線寬度會更窄,距離更加接近。目前的電子產品中走線寬度和走線之間的間隙一般不超過 6 密耳 (0.006 英寸)。即使您指定了大小為 6 密耳的走線,仍可以通過過度蝕刻輕松地使該值降至 4 或 5 密耳。 那么,為什么我們需要留意走線變小的現(xiàn)象?當走線變窄時,走線電阻會增加。公式 1 提供了計算走線電阻的標準公式: 公式1 PCB 上走線的厚度為 1 盎司銅,長度為 1 英寸,寬度為 8 密耳,其電阻將為 0.062 歐姆。表 2 顯示的是針對若干走線長度和寬度計算得出的阻抗值。 表2 走線電阻 如表 2 中所示,所有的阻抗都大大低于 1 歐姆。這看上去對電路影響并沒有那么大,但具體情況取決于該走線在電路 板上的位置。如果是高阻抗放大器輸入的走線,就沒問題,但在其他情況下,就會產生影響。再次使用該表并為每個走 線組合通過 5 mA 的電流。雖然 5 mA 的電流不大,并且走線電阻不到 1 Ω,但在使用高分辨率的 ADC 時,組合偏移 會變得十分顯著,如表 3 所示。 表 3. 走線電壓偏移 在該表里,如果流入走線(其寬度為 6 密耳,長度為 2 英寸)的電流為 5 mA,則電壓將為 820 μV,即 0.82 mV 左 右。在表 1 中,請注意,在系統(tǒng)采用的 ADC 分辨率低于 12 位時,該電壓并不顯著。綠色顯示的單元是至少影響到 16 位 ADC 半個最低有效位的條件。黃色顯示的單元表示在使用 12 位或更高 ADC 時導致相同偏差的條件。這時,假設 12 位和 16 位 ADC 的輸入范圍為 2 伏特( /- 1 伏特)。 一個示例應用(其中該偏移大小引起顯著偏差)是使用熱電偶來測量溫度。如果使用 K 型熱電偶,輸出電壓將為 40 μV/°C左右。那么,410 μV偏移相當于超過10°C的偏差。如果相同走線被過度蝕刻,使其寬度降至4密耳,偏差 將增加 50%。通過該示例,可以看到評估信號路徑中的每個 PCB 走線的重要性。雖然 12 位 ADC 不是最壞情況,但如 果 ADC 前面增加 16 倍的增益,相應的電壓分辨率等價于 16 位 ADC。 3. 共享返回路徑 設計帶有混合信號或高精度 ADC 的電路板時, 需要識別電流在 PCB 中的具體位置。走線上幾毫 安(mA)的電流就能造成嚴重的問題。 當數(shù)字器件或高電流模擬器件共享敏感模擬信號的 返回路徑時,走線電阻就會對電路產生影響。此情 況下,高電流的單位不再是安培(A),而是毫安 (mA)。在前一示例中,熱電偶與 5 mA 負載共 享一個返回路徑。即使將該負載降至 0.5 mA,偏 差仍然為 1 °C。因此,幾百 μA 的電流影響也比較大。 圖 1 顯示的是一個示例,其中模擬接地和數(shù)字接 地共享一個返回電流路徑,傳感器和 LED 共享另 一個返回電流路徑。這兩個共享路徑可能會導致系 統(tǒng)偏移或增益偏差問題。 圖 1. 信號返回路徑的阻抗 當本示例中的 ADC 測量傳感器的輸出電壓時,它 也會測量走線電阻上的電壓。共同接地處與傳感器 電流和 LED 電流合并的位置之間的走線長度越 大,可能發(fā)生的電壓偏移越嚴重。該偏差的嚴重性 取決于系統(tǒng)所需的準確度、傳感器的電壓增益以及 偏移偏差電壓的大小。圖 2 顯示的是 PCB 布局的 一個示例。 圖 2. 共享返回路徑的示例布局 模擬地(VSSA)和您正在測量的所有信號一樣, 起著重要作用。PSoC 的 VSSA 引腳與系統(tǒng)地處之 間的走線長度及其阻抗必須盡可能小。即使幾百 微安(μA)的電流分量共享該路徑,當測量幾個 毫伏的信號時,也會導致許多問題。使用單端測量 時,這里的偏移可以被視為測量偏移。在圖 3 中,LED 的電流與供電電流共享一個路徑,但傳 感器使用它自己的路徑。內部帶隙參考電路也被連 接到 VSSA。因與 LED 共享返回路徑而消耗的任何 電壓都會使 ADC 參考電壓產生波動,電壓下降的 大小為 I*R。參考電壓和 VSSA 之間的偏移會導致 ADC 增益偏差。 圖 3. 模擬接地路徑的電流 為數(shù)字接地(VSSD)、模擬接地(VSSA)、傳感 器和 LED 提供單獨的接地路徑后,將沒有共享返 回路徑(參考圖 4)。該傳感器、ADC 和參考電 路都被連接到同一個模擬接地,因此 LED 中的電 流變化幾乎不會對傳感器的輸出產生任何影響。另 外還要注意,在該圖中,傳感器和 VSSA 在同一個 位置上與模擬接地相連。該接地連接的地理位置可 以是一個點,或者是極低的阻抗層。 圖 4. 良好的接地連接 通過將差分 ADC 連接到傳感器,可以消除傳感器 返回和高電流共享一個路徑時導致的共模電壓偏 移;請參看圖 1。普通電壓是指傳感器 Vss 和傳感 器輸出的普通偏移。然而,該傳感器的差分連接不 能降低 VSSA 共享接地路徑時產生的偏差 (圖 3)。請參看圖 5。 圖 5. 差分 ADC 和單獨返回路徑 圖 6 顯示的是一個改進路由的示例,包括單獨的 返回路徑、單獨的模擬和數(shù)字電源,以及傳感器的 差分連接。 圖 6. 單獨返回路徑的示例布局 3.1 要謹慎考慮潛在的問題 當傳感器共享返回路徑或調制負載(如 PWM 驅動 的 LED)共享 VSSA 引腳時,可能不會立即發(fā)現(xiàn)偏 差。如果調試負載與 ADC 完全同步,生成的偏差可 能大,也可能小。如果同步化過程中沒有產生任何 可測量的偏差,那么,開始開發(fā)和測試時,不會發(fā) 現(xiàn)任何問題。但如果在這種情況下修改了 ADC 采樣 率或 PWM 頻率,偏差或噪聲將發(fā)生明顯的變化。 這樣的變化難以測試,因為在許多應用程序中,負 載調制會根據(jù)不同的環(huán)境或軟件而有所變化。因 此,一個電路板設計有時候能夠正常運行,有時候 則無法工作。因此,即使設計能夠正常工作,仍然 需要遵循良好的設計規(guī)則。 4. 模擬和數(shù)字信號的布線 理想情況下,模擬和數(shù)字信號將位于電路板的對立 側上,但這種情況一般不會發(fā)生。許多設計都要求 模擬和數(shù)字信號位于同一個區(qū)域內。遺憾的是,在 一個區(qū)域內同時運行較高阻抗的模擬信號和數(shù)字信 號可能引起意外串擾,該串擾給模擬信號帶來過大 噪聲。 串擾是什么? 串擾指的是沒有直接相連時,一個信號對另一個信 號產生影響的現(xiàn)象。具有快速上升和下降時間的數(shù) 字信號對高阻抗的模擬信號路徑產生影響是最常見 的串擾現(xiàn)象。數(shù)字信號同樣受串擾的影響。高速數(shù) 字信號容易影響到其他數(shù)字信號。各信號之間的串 擾類型為:傳導、容性或者感性。在所有情況下, 通過加大各信號之間的距離并縮短它們之間并行的 長度,可以減少信號串擾。 傳導串擾的影響一般不大。只有各信號的阻抗過高 (超過 10 MΩ)時,這種串擾才會造成問題。當 PCB 上出現(xiàn)泥土、油、鹽或其他液體異物,增大了 各走線之間的 PCB 材料的導電性時,通常會發(fā)生高 傳導串擾情況。阻抗下降所導致的串擾會對電路操 作產生不利影響。在某些情況下, 焊接掩?？梢员?護 PCB。但始終會有裸露區(qū),如 PCB 上器件焊接 的位置。如果在使用產品的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)這些材料, 必須采用各種措施使 PCB 與這些材料隔離。如果不能使 PCB 與異物隔離,可以在 PCB 上使用外部涂料,但該方法會增加費用。 當一個走線位于其他層中另一個走線的正上方時, 將發(fā)生容性耦合。銅線之間形成一個電容。這些銅 線重疊部分越多,它們耦合形成的電容越高。通過 減少各信號之間的重疊區(qū)降低該電容,從而減少耦 合。在某些情況下,特別是在雙層電路板上,幾乎 不能消除敏感模擬信號與快速數(shù)字信號交叉的情 況。這時,這些信號需要以 90 o 的角度交叉,以盡 量減少它們之間形成的電容。 如果使用兩層以上的多層電路板,請保證兩個相交信號之間存在電源層,以盡可能減少耦合。請注 意,圖 7 中的電容在兩個走線之間形成,它與重疊區(qū)成正比。 圖 7. 并行走線的容性耦合 如果使用多層電路板,請確保模擬和數(shù)字走線以 90° 的角度相交。這樣可大大減少重疊區(qū),從而降低各 信號之間的容性耦合。圖 8 顯示的是一個示例。 圖 8. 垂直走線的容性耦合 圖 9 顯示的是 PCB 布局的一個示例,其中模擬走線 (紅色)必須與數(shù)字走線(藍色)交叉。請注意, 模擬和數(shù)字走線之間為 90°。 圖 9. 數(shù)字走線以 90o 與模擬走線交叉