本系列的前兩期側重于嵌入式模數轉換器 （ADC） 的可配置性，以及如何在所有用例中保持 ADC 性能。一旦理解了這一點，您就可以設定適當的期望并繼續實施設計。

該系列的第三部分討論了滿足預期性能的設計實施，并介紹了解決噪聲的原理圖和布局概念。

供應解耦

為 ADC 提供穩定的電壓源和基準是電路設計中的一個重要因素。對于分布在印刷電路板 （PCB） 上的電源，這意味著在微控制器 （MCU） 和其他集成電路 （IC） 電源和接地引腳之間提供低阻抗路徑，以及在電源和接地之間提供低阻抗。這種低阻抗與頻率成反比關系，在電容中看到頻率，阻抗 Z 與頻率成反比。相反，更多的感應路徑將是高阻抗的，因為阻抗與頻率成正比。

提供低阻抗路徑的最常見方法是使用電源層和去耦電容器。但是，由于布局選擇和組件放置不當，這些方法的有效性通常會受到影響。最經典的例子是使用細而長的走線（電感性大于電容性）將去耦電容器或通孔（連接到電源層）連接到電源和接地器件引腳。擁擠的球柵陣列封裝類型會使避免長而窄的走線更具挑戰性，但在規劃逃生布線時，您應該優先考慮電源阻抗。

圖 1 顯示了另一個簡單但經常被忽視的錯誤，即相對于電源層過孔和電源引腳的去耦電容放置。由于去耦電容沒有放置在電源和引腳之間，電容的有效性會因額外走線長度的電感而降低。

圖 1：去耦電容相對于過孔和器件的放置

分離模擬和數字電源

雖然大多數 MCU 具有單個電源軌或建議連接數字和模擬電源軌，但您可以將模擬和數字電源（以及接地回路）分開以提供與系統其余部分的隔離。鐵氧體磁珠或通過 0Ω 電阻短路通常會提供足夠的阻抗來分離電源。在提供單獨的模擬和數字電源時，請記住有關這兩個電源之間關系的任何要求。兩者之間允許的電壓差通常比較小。同樣，鐵氧體磁珠或 0Ω 電阻器提供了足夠的阻抗來分隔電源，但又足夠小以最小化電壓差。

ADC 參考

一些 ADC 使用 MCU 電源作為參考，這更加強調和關注電源去耦。其他 MCU 提供內部帶隙電路以在內部生成參考；還有一些提供了一個接口來從外部提供參考。通常，外部參考可提供最高質量，但您仍需要良好的布局實踐來實現改進的性能。

盡管可以將電源層專用于參考電壓，但這通常成本高昂且不受歡迎。為了最小化參考源和 ADC 參考輸入之間的阻抗，使走線寬度盡可能寬和短。去耦電容的放置（如圖 2 所示）提供了一條低阻抗接地路徑，并且還應遵循相同的電源去耦建議 。

圖 2：簡單的 ADC 參考電路

信號路由

除了提供干凈的電源外，信號本身還需要清除任何意外信號或干擾。不需要的信號可能是傳導或輻射發射的結果。由于發射源并不總是可控的，讓我們看看一些簡單的方法來降低信號跡線對干擾的敏感性。

在談論易感性時，它可以幫助識別三個組成部分：攻擊者、受害者和媒介。干擾源是輻射或傳導干擾的來源。在本討論的上下文中，受害者是 ADC 輸入。介質是干擾傳導或輻射的路徑。此信號路由討論的目標是解決介質問題，以衰減從攻擊者傳輸到受害者的能量。

降低敏感性的一種方法是使傳感器和 ADC 之間的模擬走線盡可能短。圖 3 顯示了由信號和返回路徑創建的電感環路面積。減少信號路徑將縮小環路面積并降低該環路的電感，使其更不容易受到來自干擾電路的磁場的影響。

圖 3 還說明了信號層下方接地層的重要性。通過在信號路徑正下方提供一個平面，返回路徑可以遵循最小阻抗（電感）的路徑。接地層中的分裂（或不提供任何接地層）將導致返回電流找到替代路徑，這通常會導致更高的阻抗和電磁兼容性 （EMC） 問題。

圖 3：環路面積和信號路徑距離

降低介質效率的另一種方法是使其更長，從而為信號衰減提供更多距離。這是使敏感模擬信號遠離脈寬調制器 （PWM） 和通信線路（I 2 C、通用異步接收器發送器 ［UART］、串行外設接口 ［SPI］）等數字信號的主要原因。一個好的規則是使這些數字信號遠離模擬信號至少兩倍的跡線寬度。對于某些設計，您必須打破此規則，并且信號必須穿過路徑（在不同的層上）。在這種情況下，最好通過 90 度交叉將耦合區域保持在最小，并在可能的情況下在信號層之間插入接地層。

接地層和接地走線（保護走線）是衰減介質的另一種有效方法。信號層上的接地傾倒（共面傾倒）以及保護走線可以進一步降低高頻下信號對地的阻抗。為確保接地路徑為低阻抗，保護走線和接地澆注寬度需要足夠寬以降低電感。一個好的規則是信號跡線寬度的兩倍。另一個良好的做法是使用共面接地和保護走線，沿信號路徑使用多個過孔。這被稱為通孔“縫合”，因為通孔位于信號的任一側并且類似于縫紉圖案。在內部信號平面上方和下方使用接地平面還可以最大限度地減少耦合并屏蔽敏感的模擬走線。

布局規劃

如果您有計劃的話，實現信號路由和使用前面幾節中討論的電源層會容易得多。如果沒有重要的規劃步驟，開發人員可以輕松地將自己路由到 PCB 的角落，除了擦除和重新開始之外沒有其他恢復方式。

你應該記住兩件事。首先是電路板疊層。電源層和接地層提供低阻抗路徑并且是固有的屏蔽層，但增加層數會增加電路板成本。雖然成本可能是一個驅動因素，但如果不對 PCB 進行必要的投資，實現精確測量將非常困難。

要記住的第二件事是，將敏感的模擬電路與嘈雜的數字電路分開是從 MCU 開始的。一些制造商有意將與模擬相關的功能分組到芯片或封裝的一側，以幫助開發人員使這些信號遠離設備上的其他數字信號。另一個有助于分離模擬和數字信號的 MCU 功能是引腳映射。引腳映射提供了更大程度的靈活性來定制數字輸出位置，以解決應用和與模擬信號的分離問題。

附帶說明一下，如果模擬信號通過引腳映射器——或者即使模擬信號與其他數字信號復用——您應該確認專用和復用（與數字共享）模擬引腳之間的模擬性能是一致的。有時，但并非總是如此，數字模塊周圍的保護電路會對共享該引腳的模擬信號的性能產生負面影響。

通過良好的規劃并遵守良好的電路和布局實踐，可以在定制設計中從 ADC 中獲得數據表性能。在某些情況下，您無法消除電路設計或 PCB 布局中的噪聲。這些應用適用于差分信號，其中噪聲被視為共模并被 ADC 拒絕。本系列的最后一部分將探討差分信號以及它如何解決設計內外的噪聲問題。

審核編輯：郭婷