高精度・高分解能アナログ・デジタル変換器の基板配線技術

高精度・高分解能アナログ・デジタル変換器の基板配線技術

新しい設計タイプのコンバーターの改良により、ほとんどのアナログ デジタル コンバーターはデジタルになります。 このような変更があっても、PCB 回路配線の設計は変更されていません。 本稿では、連続近似バッファとシグマ デルタを使用したアナログ デジタル コンバータの配線方法を紹介します。

当初、アナログからデジタルへのコンバーターは、ほとんどがアナログ回路で構成されていました。 新しい設計タイプの改善により、ほとんどの低速のアナログ デジタル コンバーターはデジタルになります。 チップ内でアナログがデジタルに変わっても、基板の配線作業は変わりません。 これは現在でもそうです。 配線設計者が混合信号回路を扱う場合でも、配線をうまく機能させるには基本的な配線知識が必要です。 このホワイト ペーパーでは、連続近似バッファ (SAR) とシグマ デルタを使用したアナログ デジタル コンバーターの回路基板配線について説明します。

連続近似バッファ コンバータ ルーティング

SAR アナログ デジタル コンバーターの分解能は、8 ビット、10 ビット、12 ビット、16 ビット、場合によっては 18 ビットです。 当初、これらのコンバータの製造手順と構造は、デュアル キャリアと R-2R ラダー抵抗ネットワークでした。 ただし、これらのコンポーネントは最近、コンデンサの充電および分配技術を使用したCMOS製造プログラムになりました。 これらのコンバーターのシステム配線は、この変更によって変更されません。 高解像度コンポーネントを除いて、ケーブル接続の基本的な方法は変わりません。 これらのコンポーネントには、コンバータのシリアルまたはパラレル出力インターフェイスのデジタル フィードバックを回避するために、さらに注意が必要です。

回路システムとチップの異なるブロック構造によると、SARコンバータは明らかにアナログデバイスに属します。

このブロック図では、サンプリング/ホールド、コンパレータ、ほとんどのデジタル/アナログ コンバータ、および 12 ビット SAR はアナログです。 残りの回路はデジタルです。 その結果、このコンバーターのアナログ回路はほとんどの電力と電流を消費し、デジタル回路は D/A コンバーターとインターフェイスのわずかなスイッチング電流を除いてほとんど消費しません。

このタイプのコンバータには、いくつかの接地ピンと電源ピンがあります。 これらのピン名は、ピン名に基づいてデジタルとアナログを区別していると誤解されることがよくあります。 ただし、これらのピン名は、システムおよび回路基板との接続の意味を明確に示しているわけではありません。 それらは、デジタル電流とアナログ電流がチップからどのように流れ出すかを区別します。 この情報を知り、チップの主なコンポーネントがシミュレーションであることを理解すると、アナログ プレーンなどの同じプレーンに電源とグランド ワイヤを配置することに意味があります。

これらのコンポーネントには通常、AGND と DGND の 2 つの接地ピンがチップから引き出されています。 電源は片脚のみ使用。 このチップの回路基板を配線するときは、AGND と DGND をアナログ グランドに接続する必要があります。 アナログ電源端子とデジタル電源端子も、アナログ電源層、または少なくともアナログ電源配線に接続し、適切なバイパス コンデンサを追加し、接地端子と電源端子のできるだけ近くに接続する必要があります。 MCP3201 などのこれらのコンポーネントに接地ピンが 1 つと電源ピンが 1 つしかない唯一の理由は、パッケージ ピン数の制限によるものです。 ただし、デジタル ピンとアナログ ピンを分離すると、コンバータの精度と再現性が向上します。

すべてのコンバーターの電源配線モードは次のとおりです。すべての接地、正および負の電源ピンをアナログ面に接続します。 さらに、入力信号に関連する「COM」または「IN」ピンは、信号グランドにできるだけ近づけて接続する必要があります。

高解像度の SAR コンバーター (16 および 18 ビット コンバーター) の場合、ノイズの少ないアナログ コンバーターおよび電源層からデジタル ノイズを分離する必要があります。 これらのコンポーネントをマイクロコントローラに接続するときは、クリーンな動作環境を実現するために外部デジタル バッファを使用する必要があります。 これらのタイプの SAR コンバーターは通常、デジタル出力に内部ダブル バッファーを備えていますが、外部バッファーを使用すると、コンバーター内のアナログ回路がデジタル バス ノイズからさらに分離されます。 このシステムには、適切な電力処理モードを採用する必要があります。

注: 高解像度 SAR アナログ-デジタル コンバーターを使用する場合は、コンバーターの電源とグランドをアナログ サーフェスに接続する必要があります。 アナログデジタル変換器のデジタル出力にはバッファがあり、外部トライステート出力バッファを使用する必要があります。 これらのバッファは、アナログ面とデジタル面を分離し、高い駆動能力を提供します。

正確なシグマ デルタ ケーブル

正確なシグマ デルタ アナログ - デジタル コンバーターは、ほとんどがチップ内でデジタル化されています。 このようなコンバーターを製造する初期の頃、ユーザーは回路基板の銅箔表面を介してアナログ ノイズからデジタル ノイズを分離していました。 SAR アナログ-デジタル コンバーターには、複数のアナログ接地ピン、デジタル接地ピン、および電源接地ピンがある場合があります。 繰り返しになりますが、デジタルまたはアナログ設計エンジニアの一般的な傾向は、これらのピンを各接地面または電源面に接続することです。 残念ながら、この傾向は誤解を招く可能性があり、特に 16 ～ 24 ビットの正確なコンポーネントのノイズ問題を解決する場合に顕著です。

10Hz のデータ変換レートを備えた高解像度シグマ デルタ コンバーターで、その周波数 (内部または外部) は 10MHz または 20MHz まで高くすることができます。 この高周波は、変調器とスーパーサンプリング エンジン回路の動作を維持するために使用されます。 SAR コンバータの場合と同様に、このコンポーネントの AGND ピンと DGND ピンは同じグランド プレーンに接続されています。 さらに、アナログ電源ピンとデジタル電源ピンは一緒に接続する必要があり、回路基板の同じ層で接続することをお勧めします。 アナログおよびデジタル電源面の要件は、高解像度 SAR コンバーターの要件と同じです。

接地が必要です。つまり、少なくとも 2 層のボードを使用する必要があります。 この 2 層基板では、グランド プレーンが面積の少なくとも 75% をカバーする必要があります。 この接地グランドの目的は、接地抵抗とインダクタンスを減らし、電磁干渉と電波干渉を分離することです。 信号配線が回路基板のグランド プレーンを通過するのを防ぐことができない場合、信号配線はできるだけ短くし、接地電流のリターン パスに対して垂直にする必要があります。

結論

低解像度のアナログ/デジタル コンバーター (たとえば、6 ビット、8 ビット、場合によっては 10 ビット コンバーターのアナログ ピンとデジタル ピン) を分離する必要はありません。 ただし、選択したコンバータの分解能/精度が高くなるにつれて、ケーブル接続の条件はより厳しくなります。 高分解能 SAR およびシグマ デルタ アナログ-デジタル コンバーターであるこれら 2 つのコンポーネントは、低ノイズでアナログ グランドおよび電源層に直接接続する必要があります。 高精度・高分解能のアナログ・デジタル・コンバーターの基板配線技術を基板設計・基板加工メーカーが解説。