解决噪声的PCB考虑因素

本系列的前两期侧重于嵌入式模数转换器 （ADC） 的可配置性，以及如何在所有用例中保持 ADC 性能。一旦理解了这一点，您就可以设定适当的期望并继续实施设计。

该系列的第三部分讨论了满足预期性能的设计实施，并介绍了解决噪声的原理图和布局概念。

供应解耦

为 ADC 提供稳定的电压源和基准是电路设计中的一个重要因素。对于分布在印刷电路板 （PCB） 上的电源，这意味着在微控制器 （MCU） 和其他集成电路 （IC） 电源和接地引脚之间提供低阻抗路径，以及在电源和接地之间提供低阻抗。这种低阻抗与频率成反比关系，在电容中看到频率，阻抗 Z 与频率成反比。相反，更多的感应路径将是高阻抗的，因为阻抗与频率成正比。

提供低阻抗路径的最常见方法是使用电源层和去耦电容器。但是，由于布局选择和组件放置不当，这些方法的有效性通常会受到影响。最经典的例子是使用细而长的走线（电感性大于电容性）将去耦电容器或通孔（连接到电源层）连接到电源和接地器件引脚。拥挤的球栅阵列封装类型会使避免长而窄的走线更具挑战性，但在规划逃生布线时，您应该优先考虑电源阻抗。

图 1 显示了另一个简单但经常被忽视的错误，即相对于电源层过孔和电源引脚的去耦电容放置。由于去耦电容没有放置在电源和引脚之间，电容的有效性会因额外走线长度的电感而降低。

图 1：去耦电容相对于过孔和器件的放置

分离模拟和数字电源

虽然大多数 MCU 具有单个电源轨或建议连接数字和模拟电源轨，但您可以将模拟和数字电源（以及接地回路）分开以提供与系统其余部分的隔离。铁氧体磁珠或通过 0Ω 电阻短路通常会提供足够的阻抗来分离电源。在提供单独的模拟和数字电源时，请记住有关这两个电源之间关系的任何要求。两者之间允许的电压差通常比较小。同样，铁氧体磁珠或 0Ω 电阻器提供了足够的阻抗来分隔电源，但又足够小以最小化电压差。

ADC 参考

一些 ADC 使用 MCU 电源作为参考，这更加强调和关注电源去耦。其他 MCU 提供内部带隙电路以在内部生成参考；还有一些提供了一个接口来从外部提供参考。通常，外部参考可提供最高质量，但您仍需要良好的布局实践来实现改进的性能。

尽管可以将电源层专用于参考电压，但这通常成本高昂且不受欢迎。为了最小化参考源和 ADC 参考输入之间的阻抗，使走线宽度尽可能宽和短。去耦电容的放置（如图 2 所示）提供了一条低阻抗接地路径，并且还应遵循相同的电源去耦建议 。

图 2：简单的 ADC 参考电路

信号路由

除了提供干净的电源外，信号本身还需要清除任何意外信号或干扰。不需要的信号可能是传导或辐射发射的结果。由于发射源并不总是可控的，让我们看看一些简单的方法来降低信号迹线对干扰的敏感性。

在谈论易感性时，它可以帮助识别三个组成部分：攻击者、受害者和媒介。干扰源是辐射或传导干扰的来源。在本讨论的上下文中，受害者是 ADC 输入。介质是干扰传导或辐射的路径。此信号路由讨论的目标是解决介质问题，以衰减从攻击者传输到受害者的能量。

降低敏感性的一种方法是使传感器和 ADC 之间的模拟走线尽可能短。图 3 显示了由信号和返回路径创建的电感环路面积。减少信号路径将缩小环路面积并降低该环路的电感，使其更不容易受到来自干扰电路的磁场的影响。

图 3 还说明了信号层下方接地层的重要性。通过在信号路径正下方提供一个平面，返回路径可以遵循最小阻抗（电感）的路径。接地层中的分裂（或不提供任何接地层）将导致返回电流找到替代路径，这通常会导致更高的阻抗和电磁兼容性 （EMC） 问题。

图 3：环路面积和信号路径距离

降低介质效率的另一种方法是使其更长，从而为信号衰减提供更多距离。这是使敏感模拟信号远离脉宽调制器 （PWM） 和通信线路（I 2 C、通用异步接收器发送器 ［UART］、串行外设接口 ［SPI］）等数字信号的主要原因。一个好的规则是使这些数字信号远离模拟信号至少两倍的迹线宽度。对于某些设计，您必须打破此规则，并且信号必须穿过路径（在不同的层上）。在这种情况下，最好通过 90 度交叉将耦合区域保持在最小，并在可能的情况下在信号层之间插入接地层。

接地层和接地走线（保护走线）是衰减介质的另一种有效方法。信号层上的接地倾倒（共面倾倒）以及保护走线可以进一步降低高频下信号对地的阻抗。为确保接地路径为低阻抗，保护走线和接地浇注宽度需要足够宽以降低电感。一个好的规则是信号迹线宽度的两倍。另一个良好的做法是使用共面接地和保护走线，沿信号路径使用多个过孔。这被称为通孔“缝合”，因为通孔位于信号的任一侧并且类似于缝纫图案。在内部信号平面上方和下方使用接地平面还可以最大限度地减少耦合并屏蔽敏感的模拟走线。

布局规划

如果您有计划的话，实现信号路由和使用前面几节中讨论的电源层会容易得多。如果没有重要的规划步骤，开发人员可以轻松地将自己路由到 PCB 的角落，除了擦除和重新开始之外没有其他恢复方式。

你应该记住两件事。首先是电路板叠层。电源层和接地层提供低阻抗路径并且是固有的屏蔽层，但增加层数会增加电路板成本。虽然成本可能是一个驱动因素，但如果不对 PCB 进行必要的投资，实现精确测量将非常困难。

要记住的第二件事是，将敏感的模拟电路与嘈杂的数字电路分开是从 MCU 开始的。一些制造商有意将与模拟相关的功能分组到芯片或封装的一侧，以帮助开发人员使这些信号远离设备上的其他数字信号。另一个有助于分离模拟和数字信号的 MCU 功能是引脚映射。引脚映射提供了更大程度的灵活性来定制数字输出位置，以解决应用和与模拟信号的分离问题。

附带说明一下，如果模拟信号通过引脚映射器——或者即使模拟信号与其他数字信号复用——您应该确认专用和复用（与数字共享）模拟引脚之间的模拟性能是一致的。有时，但并非总是如此，数字模块周围的保护电路会对共享该引脚的模拟信号的性能产生负面影响。

通过良好的规划并遵守良好的电路和布局实践，可以在定制设计中从 ADC 中获得数据表性能。在某些情况下，您无法消除电路设计或 PCB 布局中的噪声。这些应用适用于差分信号，其中噪声被视为共模并被 ADC 拒绝。本系列的最后一部分将探讨差分信号以及它如何解决设计内外的噪声问题。

审核编辑：郭婷