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完美提高PCB板对电源变化的抗扰度的几个tips

  对于转换器和最终的系统而言,必须确保任意给定输入上的噪声不会影响性能。辣么,为了了解电源噪声并满足系统设计需求,我们应当在PCB板上注意哪些方面呢?

  先选择转换器,然后选择调节器、LDO、开关调节器等。并非所有调节器都适用。应当查看调节器数据手册中的噪声和纹波指标,以及开关频率(如果使用开关调节器)。典型调节器在100kHz带宽内可能具有10µVrms噪声。假设该噪声为白噪声,则它在目标频段内相当于31.6nVrms/√Hz的噪声密度。

  检查转换器的电源抑制指标,了解转换器的性能何时会因为电源噪声而下降。在第一奈奎斯特区fS/2,大多数高速转换器的PSRR典型值为60dB(1mV/V)。如果数据手册未给出该值,请按照前述方法进行测量,或者询问厂家。

  使用一个2Vp-p满量程输入范围、78dBSNR和125MSPS采样速率的16位ADC,其噪底为11.26nVrms。任何来源的噪声都必须低于此值,以防其影响转换器。在第一奈奎斯特区,转换器噪声将是89.02µVrms(11.26nVrms/√Hz)×√(125MHz/2)。虽然调节器的噪声(31.6nv/√Hz)是转换器的两倍以上,但转换器有60dB的PSRR,它会将开关调节器的噪声抑制到31.6pV/√Hz(31.6nV/√Hz×1mV/V)。这一噪声比转换器的噪底小得多,因此调节器的噪声不会降低转换器的性能。

  电源滤波、接地和布局同样重要。在ADC电源引脚上增加0.1µF电容可使噪声低于前述计算值。请记住,某些电源引脚吸取的电流较多,或者比其他电源引脚更敏感。因此应当慎用去耦电容,但要注意某些电源引脚可能需要额外的去耦电容。在电源输出端增加一个简单的LC滤波器也有助于降低噪声。不过,当使用开关调节器时,级联滤波器能将噪声抑制到更低水平。需要记住的是,每增加一级增益就会每10倍频程增加大约20dB。

  需要注意的一点是,上述分析仅针对单个转换器而言。如果系统涉及到多个转换器或通道,噪声分析将有所不同。例如,超声系统采用许多ADC通道,这些通道以数字方式求和来提高动态范围。基本而言,通道数量每增加一倍,转换器/系统的噪底就会降低3dB。对于上例,如果使用两个转换器,转换器的噪底将变为一半(−3dB);如果使用四个转换器,噪底将变为−6dB。之所以如此,是因为每个转换器可以当作不相关的噪声源来对待。不相关噪声源彼此之间是独立的,因此可以进行RSS(平方和的平方根)计算。最终,随着通道数量增加,系统的噪底降低,系统将变得更敏感,对电源的设计约束条件也更严格。

  要想消除应用中的所有电源噪声是不可能的,因为任何系统都不可能完全不受电源噪声的影响。因此,作为ADC的用户,我们必须在电源设计和布局布线阶段就做好积极应对。

  下面是一些有用的提示,可帮助你最大程度地提高PCB对电源变化的抗扰度:

  对到达系统板的所有电源轨和总线电压去耦。

  记住:每增加一级增益就会每10倍频程增加大约20dB。

  如果电源引线较长并为特定IC、器件和/或区域供电,则应再次去耦。

  对高频和低频都要去耦。

  去耦电容接地前的电源入口点常常使用串联铁氧体磁珠。对进入系统板的每个电源电压都要这样做,无论它是来自LDO还是来自开关调节器。

  对于加入的电容,应使用紧密叠置的电源和接地层(间距≤4密尔),从而使PCB设计本身具备高频去耦能力。

  同任何良好的电路板布局一样,电源应远离敏感的模拟电路,如ADC的前端级和时钟电路等。

  良好的电路分割至关重要,可以将一些元件放在PCB的背面以增强隔离。

  注意接地返回路径,特别是数字侧,确保数字瞬变不会返回到电路板的模拟部分。某些情况下,分离接地层也可能有用。

  将模拟和数字参考元件保持在各自的层面上。这一常规做法可增强对噪声和耦合交互作用的隔离。

  遵循IC制造商的建议。如果应用笔记或数据手册没有直接说明,则应研究评估板。这些都是非常好的起步工具。

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