解决噪声问题的PCB注意事项

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

本系列的第三部分讨论了如何实现设计以满足预期性能，并介绍了解决噪声问题的原理图和布局概念。

电源解耦

为ADC提供稳定的电源和基准电压源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，并在电源和接地之间提供低阻抗。这种低阻抗是反比关系，频率以电容表示，阻抗Z与频率成反比。相反，更多的电感路径将是高阻抗，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。然而，由于布局选择和元件放置不当，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走线和长走线（电感比电容更感）将去耦电容或过孔（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可能使避免长而窄的走线更具挑战性，但在规划逃生布线时，应优先考虑电源阻抗。

图1显示了另一个简单但经常被忽视的错误，即相对于电源层通孔和电源引脚去耦电容放置。由于去耦电容未放置在电源源极和引脚之间，因此额外的走线长度的电感会降低电容的有效性。

图 1：相对于过孔和器件的去耦电容器位置

分离式模拟和数字电源

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，但您可以分离模拟和数字电源（以及接地回路），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。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相对较小。同样，铁氧体磁珠或0Ω电阻提供足够的阻抗来分离电源，但又足够小以最小化电压差。

模数转换器基准电压源

一些ADC使用MCU电源作为基准电压源，因此更加重视电源去耦。其他MCU提供内部带隙电路，以在内部生成基准电压源;还有一些提供接口以从外部提供基准电压源。通常，外部引用可提供最高质量，但您仍然需要良好的布局实践来实现改进的性能。

虽然可以将电源层专用于基准电压，但这通常成本高昂且不受欢迎。为了最小化基准电压源和ADC基准电压源输入之间的阻抗，使走线宽度尽可能宽和短。去耦电容的位置（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［1］。

图 2：简单 ADC 基准电压源电路

信号路由

除了提供干净的电源外，信号本身还需要没有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，它可以帮助确定三个组成部分：侵略者、受害者和媒介。侵略者是辐射或传导干扰的来源。在本讨论中，受害者是ADC输入。介质是传导或辐射干扰的路径。本次信号路由讨论的目的是解决介质问题，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产生的电感环路区域。减小信号路径将缩小环路面积并降低环路的电感，使其不易受到侵略者电路磁场的影响。

图3还说明了信号层下方接地层的重要性。通过直接在信号路径下方提供平面，返回路径可以遵循阻抗（电感）最小的路径。接地层中的分离（或不提供任何接地层）将导致返回电流找到备用路径，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

使介质效率降低的另一种方法是使其更长，为信号衰减提供更大的距离。这是使敏感的模拟信号远离数字信号的主要原因，例如脉宽调制器（PWM）和通信线路（I2C、通用异步接收器发射器 ［UART］、串行外设接口 ［SPI］）。一个好的规则是将这些数字信号保持在距离模拟信号至少两倍的走线宽度。对于某些设计，您必须打破此规则，并且信号必须交叉路径（在单独的层上）。在这种情况下，最好通过90度交叉将耦合面积保持在最小水平，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。信号层上的接地浇注（共面浇注）以及保护走线可以进一步降低高频下信号到地的阻抗。为了确保接地路径是低阻抗的，保护走线和接地倾倒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。使用共面接地浇注和保护走线的另一个好做法是沿信号路径使用多个过孔。这被称为通孔“缝合”，因为过孔位于信号的两侧，类似于缝纫图案。在内部信号层上方和下方使用接地层也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

如果计划，实现信号路由和使用前面部分中讨论的电源层要容易得多。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，没有其他恢复方法。

你应该记住两件事。首先是电路板堆叠。电源层和接地层提供低阻抗路径，并且是固有的屏蔽，但增加层会增加电路板成本。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，实现精密测量将非常困难。

要记住的第二件事是，从MCU开始将敏感的模拟电路与嘈杂的数字电路分开。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，以帮助开发人员将这些信号与器件上的其他数字信号隔离开来。另一个有助于分离模拟和数字信号的MCU功能是引脚映射。引脚映射为自定义数字输出位置提供了更大的灵活性，以解决应用和与模拟信号分离的问题。

作为旁注，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多路复用，也应确认专用和多路复用（与数字共享）模拟引脚之间的模拟性能一致。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，可以在定制设计中获得ADC的数据手册性能。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由ADC抑制。本系列的最后一期也是最后一期将介绍差分信号，以及它如何解决设计内外的噪声问题。

审核编辑：郭婷