1. 简介
要想了解在使用分辨率等于或高于 12 位 ADC 时可能发生的问题,需要确定 ADC 能够处理多小的电压值。电压范围为 2 V 的 8 位 ADC 能够检测最小电压值为 2 V/256 = 0.008 V,即 8 mV 左右。尽管 8 mV 看上去比较小,让我们把这个值和更高分辨率的 ADC 进行比较,表 1 显示了对具有输入范围为±1 V 和分辨率为 8 到 20 位的各 ADC 进行的比较。
当分辨率为 20 位时,ADC 能够处理最小为 2 μV 的电压。稍微提高增益,您可以处理低于 1 μV 的电压。另外,包含窄输入范围(高 ADC 增益)的低分辨率 ADC 系统也可以处理微伏范围的电压值。
使用低分辨率ADC时,1 mV以下的偏移和噪声源是无意义的。但使用12位到20位ADC时,该值将起着重要作用。 未习惯于敏感模拟电路的设计师会容易忽略这些偏差。目前的电子产品越来越小,因此单是较小的电路板几何形状就能引起许多问题。
2. 走线电阻确实很重要
当 PCB 缩小时,走线宽度会更窄,距离更加接近。目前的电子产品中走线宽度和走线之间的间隙一般不超过 6 密耳
(0.006 英寸)。即使您指定了大小为 6 密耳的走线,仍可以通过过度蚀刻轻松地使该值降至 4 或 5 密耳。 那么,为什么我们需要留意走线变小的现象?当走线变窄时,走线电阻会增加。公式 1 提供了计算走线电阻的标准公式:
PCB 上走线的厚度为 1 盎司铜,长度为 1 英寸,宽度为 8 密耳,其电阻将为 0.062 欧姆。表 2 显示的是针对若干走线长度和宽度计算得出的阻抗值。
如表 2 中所示,所有的阻抗都大大低于 1 欧姆。这看上去对电路影响并没有那么大,但具体情况取决于该走线在电路 板上的位置。如果是高阻抗放大器输入的走线,就没问题,但在其他情况下,就会产生影响。再次使用该表并为每个走 线组合通过 5 mA 的电流。虽然 5 mA 的电流不大,并且走线电阻不到 1 Ω,但在使用高分辨率的 ADC 时,组合偏移 会变得十分显著,如表 3 所示。
在该表里,如果流入走线(其宽度为 6 密耳,长度为 2 英寸)的电流为 5 mA,则电压将为 820 μV,即 0.82 mV 左 右。在表 1 中,请注意,在系统采用的 ADC 分辨率低于 12 位时,该电压并不显著。绿色显示的单元是至少影响到 16 位 ADC 半个最低有效位的条件。黄色显示的单元表示在使用 12 位或更高 ADC 时导致相同偏差的条件。这时,假设 12 位和 16 位 ADC 的输入范围为 2 伏特(+/- 1 伏特)。
一个示例应用(其中该偏移大小引起显著偏差)是使用热电偶来测量温度。如果使用 K 型热电偶,输出电压将为 40 μV/°C左右。那么,410 μV偏移相当于超过10°C的偏差。如果相同走线被过度蚀刻,使其宽度降至4密耳,偏差 将增加 50%。通过该示例,可以看到评估信号路径中的每个 PCB 走线的重要性。虽然 12 位 ADC 不是最坏情况,但如 果 ADC 前面增加 16 倍的增益,相应的电压分辨率等价于 16 位 ADC。
3. 共享返回路径
设计带有混合信号或高精度 ADC 的电路板时, 需要识别电流在 PCB 中的具体位置。走线上几毫 安(mA)的电流就能造成严重的问题。
当数字器件或高电流模拟器件共享敏感模拟信号的 返回路径时,走线电阻就会对电路产生影响。此情 况下,高电流的单位不再是安培(A),而是毫安 (mA)。在前一示例中,热电偶与 5 mA 负载共 享一个返回路径。即使将该负载降至 0.5 mA,偏 差仍然为 1 °C。因此,几百 μA 的电流影响也比较大。
图 1 显示的是一个示例,其中模拟接地和数字接 地共享一个返回电流路径,传感器和 LED 共享另 一个返回电流路径。这两个共享路径可能会导致系 统偏移或增益偏差问题。
当本示例中的 ADC 测量传感器的输出电压时,它 也会测量走线电阻上的电压。共同接地处与传感器 电流和 LED 电流合并的位置之间的走线长度越 大,可能发生的电压偏移越严重。该偏差的严重性 取决于系统所需的准确度、传感器的电压增益以及 偏移偏差电压的大小。图 2 显示的是 PCB 布局的 一个示例。
模拟地(VSSA)和您正在测量的所有信号一样, 起着重要作用。PSoC 的 VSSA 引脚与系统地处之 间的走线长度及其阻抗必须尽可能小。即使几百 微安(μA)的电流分量共享该路径,当测量几个 毫伏的信号时,也会导致许多问题。使用单端测量 时,这里的偏移可以被视为测量偏移。在图 3 中,LED 的电流与供电电流共享一个路径,但传 感器使用它自己的路径。内部带隙参考电路也被连 接到 VSSA。因与 LED 共享返回路径而消耗的任何 电压都会使 ADC 参考电压产生波动,电压下降的 大小为 I*R。参考电压和 VSSA 之间的偏移会导致 ADC 增益偏差。
为数字接地(VSSD)、模拟接地(VSSA)、传感 器和 LED 提供单独的接地路径后,将没有共享返 回路径(参考图 4)。该传感器、ADC 和参考电 路都被连接到同一个模拟接地,因此 LED 中的电 流变化几乎不会对传感器的输出产生任何影响。另 外还要注意,在该图中,传感器和 VSSA 在同一个 位置上与模拟接地相连。该接地连接的地理位置可 以是一个点,或者是极低的阻抗层。
通过将差分 ADC 连接到传感器,可以消除传感器 返回和高电流共享一个路径时导致的共模电压偏 移;请参看图 1。普通电压是指传感器 Vss 和传感 器输出的普通偏移。然而,该传感器的差分连接不 能降低 VSSA 共享接地路径时产生的偏差 (图 3)。请参看图 5。
图 6 显示的是一个改进路由的示例,包括单独的 返回路径、单独的模拟和数字电源,以及传感器的 差分连接。
3.1 要谨慎考虑潜在的问题
当传感器共享返回路径或调制负载(如 PWM 驱动 的 LED)共享 VSSA 引脚时,可能不会立即发现偏 差。如果调试负载与 ADC 完全同步,生成的偏差可 能大,也可能小。如果同步化过程中没有产生任何 可测量的偏差,那么,开始开发和测试时,不会发 现任何问题。但如果在这种情况下修改了 ADC 采样 率或 PWM 频率,偏差或噪声将发生明显的变化。 这样的变化难以测试,因为在许多应用程序中,负 载调制会根据不同的环境或软件而有所变化。因 此,一个电路板设计有时候能够正常运行,有时候 则无法工作。因此,即使设计能够正常工作,仍然 需要遵循良好的设计规则。
本文转载自：吴川斌的博客
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