用于降低差分 ADC 驱动器谐波失真的 PCB 布局技术

PCB 布局是优化高速板线性性能的关键因素，本文讨论高速差分ADC驱动器中轨到轨和轨到地旁路电容应该如何布局，以实现最大可能的线性性能。  

使用单端运算放大器的差分 ADC 驱动器

如图 1 所示，差分 ADC 驱动器可以通过使用两个单端运算放大器来实现。

图 1.使用两个相同的单端运算放大器来实现差分 ADC 驱动器

通过将差分信号应用于这些相同的路径，各个运算放大器将产生相同的二次谐波分量。作为 ADC 输入端的共模信号，这些失真分量将像任何其他共模噪声和干扰信号一样被差分 ADC 抑制。

在之前的文章中，我们讨论了需要对称的 PCB 布局来保持两个单端路径相同并衰减二次谐波。在本文中，我们将讨论如何布置运算放大器的去耦电容器以实现最大可能的线性性能。

我们知道，去耦电容器充当电荷源，并提供运算放大器应提供给负载的高频电流。为了提供高频差分电流，我们可以使用轨到地和轨到轨去耦电容器。

轨到轨与轨到地去耦结构

对于图 1 所示的结构，输送到负载的电流是不同的，即当上部运算放大器向负载提供电流时，下部分支吸收电流，反之亦然。让我们考虑上部运算放大器提供负载电流而下部路径吸收负载电流的情况。图 2 显示了轨到地和轨到轨去耦选项以及电流路径。请注意，在该图中，为简单起见，未显示放大级的电阻器。此外，我们假设使用了带有专用接地层的多层板。  

图 2.轨到地 (a) 和轨到轨 (b) 去耦结构

采用轨对地去耦结构（图2(a)），高频电流将从正轨的旁路电容（C bypass1）流向负载，然后流向负轨的旁路电容(C bypass2 ) 如蓝色箭头所示。电路原理图暗示节点 A 和 B 都处于地平面，蓝色箭头所示的路径是电流的闭合路径。然而，实际上，节点 A 和 B 是地平面上的两个不同节点，电流应该从节点 B 流向节点 A 以具有闭合电流路径。因此，负载电流将通过接地层提供的最小阻抗路径流回C bypass1的接地侧。

这种结构的挑战在于，在足够靠近负载电流返回路径的接地平面中流动的任何电流都可以与负载电流耦合并改变它。此外，如果负载电流返回路径从节点 B 到 A 出现任何不对称，ADC 驱动器的单端路径之间的对称性将受到影响，并且较大的二次谐波将出现在 ADC 输入端。

为了避免这些问题，可以采用图 2(b) 中的去耦结构，其中在两个电源轨之间放置一个旁路电容器。这样，差分负载电流将遵循蓝色箭头所示的路径，而不必流经接地层。根据TI 文档，轨到轨旁路电容器可以将二次谐波失真降低 6 至 10dB。请注意，为了提供相反方向的差分负载电流，我们需要包括另一个轨到轨旁路电容器 (C bypass4 )，如下图 3 所示。

图3

C bypass4提供的负载电流路径用蓝色箭头表示。

图4

请注意，轨到轨旁路电容器无法提供这些共模电流。在图 4 中，运算放大器必须直接通过电源和接地导体提供高频共模电流分量，这是不希望的。因此，我们需要添加轨到地旁路电容器，如图 5 所示。

图5

如你所见，流出两个运算放大器的共模电流将由正轨和地之间的旁路电容器（C bypass5和 C bypass7）提供。该共模电流将为走线的寄生电容充电。因此，返回电流将从寄生电容的接地侧流回接地平面中C bypass5和C bypass7的接地侧。类似地，两个运算放大器吸收的共模电流将由放置在负轨和地之间的旁路电容器（C bypass6和 C bypass8）提供。

轨到地电容可以提供共模和差分电流

虽然我们添加了 C bypass5、C bypass6、C bypass7和 C bypass8以提供共模电流，但这些电容器还将提供负载的一部分高频差分电流。如图 2(a) 所示，使用轨对地电容器可能会不必要地使差分负载电流流过不需要的接地层。为避免这种情况，我们可以放置能够以对称方式提供差分电流的轨到地旁路电容器，并在中点将它们之间的走线接地。图 6 以图形方式对此进行了最佳说明。

图6

上图显示了上部运算放大器提供负载电流而下部路径吸收负载电流的情况。在这种情况下，C bypass5和 C bypass8可以提供一部分负载差动电流。为了防止差分电流流过地平面，我们在电路板的信号层通过PCB走线将C bypass5和C bypass8的接地侧连接在一起，并在中点（图中节点A）将这条走线接地。对于差分信号，理论上节点 A 应该是虚地，差分电流不应流入地平面（对于差分负载电流，I ground = 0）。同样，我们将 C bypass6和 C bypass7彼此对称，并在中点将两个电容器之间的走线接地。您可以在这份 TI 应用报告中找到应用上述技术的布局示例。

最后一点，值得一提的是，这些技术也适用于基于全差分运算放大器的 ADC 驱动器。更多信息请参考我上面提到的TI文档。    

结论

为了从差分 ADC 驱动器中提取最大的线性度性能，我们需要一个对称的 PCB 布局。采用轨到轨旁路电容器作为高频差分电流的主要充电源可以将二次谐波分量降低 6 至 10dB。我们仍然需要轨对地旁路电容器来提供共模电流。由于这些电容还可以提供一部分负载差分电流，我们需要将它们对称布局，使差分负载电流无法流入地平面。

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