使用12位ADC时的设计要点

我目前正在设计一个将12位ADC（MCP3208）连接到Raspberry Pi的电路板（除了其他一些与低速I / O相关的东西）。它通常会连接到模拟传感器（温度传感器，IR距离传感器和类似的东西，尽管并不总是需要12位分辨率，但在某些情况下，拥有更多信息确实是一件好事）。

我对模拟电路没有太多的经验，对所涉及的基础数学和物理也没有很好的理解。

我正在阅读有关ADC的几本设计指南，并且经常阅读诸如抗混叠滤波器，用于高阻抗信号的ADC驱动器，模拟地平面，以某些方式布置走线以减少噪声的内容，以及保持高速数字电子设备尽可能多地分离的内容。 ADC可以减少开关噪声，精密电压基准以及更多我尚不完全了解的内容。

所以我开始想知道，如果我没有专业知识来正确实现它，那么使用12位ADC是否对我有意义，因为我可能会因为电路设计欠佳而放弃2个LSB，而应该搭配10位ADC。还是在我认为的12位领域中，最佳电路设计并不那么关键。

应该采取什么措施来降低噪声（例如明显的旁路帽）？在诸如我的混合信号应用中（具有GHz处理器与ADC对话）的最大噪声原因是什么？实际上，只有在更高精度的应用程序（14-16bit +）中才需要做什么？

我真的很想知道我应该注意哪些明智和重要的事情。

对于像您这样的中等精度，低采样率的混合信号应用，您面临的主要问题是拥有足够准确的基准电压并将数字开关噪声排除在ADC之外。从设计阶段开始，一直到完成电路板布局，都需要执行几个步骤。

电路设计时

首先，在设计阶段，必须向ADC提供适当的基准电压，正确的去耦和低阻抗信号驱动器，以进行正确的转换。此外，必须对信号进行滤波（在像您这样的仪器应用中进行低通滤波），以防止ADC有效地将较高频率下变频为基带（RF应用可以使用慢速ADC +带通前端滤波器对奈奎斯特下变频信号，以节省信号）在专用混音器和LO上）。

稳定您的参考

引用的范围很广，从琐碎而可悲的（一个豆形的离散的果冻齐纳二极管，好到哦，4位）到疯狂的（嵌入式IC埋在齐纳的齐纳二极管，在高性能仪器应用中使用），而且规格通常不清楚，混合单元在使新手感到困惑的方式。LTC AN82中的图表是解决此问题的有用方法-鉴于您的应用，其中ADC是一个12位单元，能够在给定稳定基准和5V电源的情况下提供11+ ENOB，我将基准指定为精确到0.02％或在感兴趣的温度范围内具有更好的性能，RMS噪声不是问题，因为它比精度指标小一个数量级。

不幸的是，不进行修整的初始精度为0.02％，这说明事情开始变得相当困难。使用4.096V基准电压源，即能获得理想的ENOB性能，这意味着我想在一个安静的5V电源上运行ADC，并带有一个逻辑电平转换器到Pi的3.3VI / O，4.096V给您带来了方便1mV /计数关系，我们仅限于ADR4540，X60003，MAX6126AASA或LTC6655B尽管最后一部分将其切开，因为它的初始精度为0.025％。虽然我不认为温度系数和磁滞会因为这是台式应用，而且线路和负载调节也不是主要问题，因为它由与ADC相同的5V稳压电源供电，并且仅驱动ADC的Vref引脚，长期漂移由于缺乏调整，这里也是一个问题-为此，ADR4540和MAX6126AASA分别是典型的25ppm /根-khr和20ppm /根-khr的明显赢家-大约需要10-1的比率考虑长期漂移无关紧要。（其他两个部分的长期漂移通常约为50-60ppm /根千瓦时。）

解耦一切

MCP3208数据手册建议使用至少1pF的去耦电容，并将其从Vdd连接至接地系统-AGND和DGND也应连接至同一接地系统。在板的5V供电轨上也应至少使用10µF / 10V的陶瓷或聚合物钽大容量去耦器。

最重要的是，应按照数据手册对基准进行去耦-除了存在任何大容量的去耦电容之外，输出上通常为100nF，输入上通常为100nF，但LTC6655需要一个更大的输出电容器（使用相同的电容）。 P / N作为大体积去耦器工作），并且由于其低功耗设计，X60003在相反的方向上很挑剔。

输入驱动/缓冲/过滤

幸运的是，这并不难-0.02％的精度转换为最大输入偏移量为800µV，与使用MHz范围内的GBW相比，在使用目前零电压可用的5V单电源供电时，我的性能要好几个数量级。漂移和内部调整的放大器。该AD8630提供低噪声自动调零选项，而快速内部调整低偏移放大器包括OPA4350与OPA4192。无论哪种方式，都可以使用MCP3208数据表中的两极Sallen和Key低通抗混叠滤波器，其转折频率设置为大约5kHz左右-其他滤波器设计也可以使用。

电源和数字接口

MCP3208的ENOB（有效位数）规格取决于电源-在5V电源下的性能优于在2.7-3.3V电源下的性能。它也必须在5V电压下运行才能使用4.096V基准。这就产生了一个问题，即Pi使用3.3V逻辑并且不能承受5V的电压，这就需要一个逻辑电平转换IC，例如TXB0104－ A 端到 Pi，而B 端到 ADC。

此外，5V电源应保持合理清洁-应使用线性稳压器以更高的电源电压在板上产生它。如果应用中没有更高的电源电压，则可以使用现有的5V电源轨，前提是使用LC去耦网络来保持ADC和运算放大器电源轨以外的大量数字噪声。

排版时间

有效的混合信号布局有两个关键：分区和供应/返回布局。我将依次介绍这些内容。

首先，我将电路板布局整齐地分为两个侧面-数字面和模拟面。所有的数字走线（在使用的是MCP3208的情况下，都是SPI接口）都在电路板的数字侧上-电路板的这一侧还包含逻辑电平转换器芯片和Pi的I / O连接器。评估板的模拟侧包含所有模拟走线和电路-参考电压在此处，输入滤波器，输入保护和模拟输入连接器也是如此。ADC（如果使用的是Pi的5V，则为滤波电感）是弥合这一差距的唯一组件-实际上，

同样要注意的是，我链接的所有部件均以粗间距SMT封装提供- 如果在此处使用双面电路板，则强烈建议将背面作为连续GND平面的单面布局。如果不是出于成本考虑，那么四层板除了提供接地层外，还将提供一个连续的模拟Vdd平面，并为逻辑电平转换器IC的3.3V逻辑侧留有一个“电源熔池”。但是，在此应用中无需将地平面分开- 信号走线的正确布线将使返回电流保持在其所属的位置。