微控制器/模拟应用中电源、接地和噪声的解决方案

ADC布局：ADC布局技术随转换器技术而变化。当使用SAR ADC时，整个器件应该驻留在模拟电源和接地层上。ADC厂商通常会提供模拟和数字接地引脚。如果使用高分辨率SAR转换器，应该使用一个数字缓冲器，将转换器与电路数字部分的总线活动隔离开来。这也是使用Δ-ΣADC应采取的正确方法。

图4显示了考虑了这些事项而设计的电路板性能。这个数据显示，该电路模拟部分的工作非常好。

图4 由图2的电路设计得到的结果数据。改进的结果表明，我们的低噪声布局策略是有效的。
模拟设计结论

综上所述，重要的是从设计一开始就验证电路器件是否具备低噪声性能。在这个例子中，关键因素是电阻器和放大器。选择合适的器件后，应确保对信号路径进行适当的滤波。其中包括信号路径和电源线路。一个不间断的接地层是所有模拟设计的关键。这样就可以消除噪声，否则就要找出可能存在的问题。最后，旁路电容器引线短些，离电源引脚越近越好。

数字设计

我们现在开始数字/模拟设计的第一步整合。在第一步中，我们将根据常规的经验法则在布局策略中加进数字部分的内容。这个部分的设计增加了LED、电机驱动器、RS-232发送器/接收器和微控制器。

该设计在电机驱动方面使用了旁路电容器和回扫二极管。使旁路电容器靠近IC电源，而且接地走线很短。这样做并没有改变模拟电路的布局。图5显变压器与电感器设计示了数字/模拟布局第一步的柱状图结果。

图5 噪声的码宽=35（总采样数=1024）

这块新的电路板的ADC输出结果比第一次在模拟部分尝试的还要糟。我们将通过重新制定电源和接地策略恢复原来模拟电路的表现。第一个矫正措施是把电源线路的数字部分与模拟部分分开。图6a显示了将模拟和数字结合在一起的第一种尝试。图6b反映的是第二种更为成功的方法。

图6 电源和接地的第一种和第二种策略。注意，第二种要尽可能地将噪声与敏感电路分开。

第一种模拟/数字布局是通过模拟部分连接数字部分的5V和接地端。在这种配置下，LED的大电流、电机的切换和数字控制器的噪声覆盖在敏感的模拟电源和接地路径之上（见图6a）。PCB走线上的噪声路径就是与走线阻抗和电感相互作用的电源和接地电流。这引起电路模拟部分的电源和接地的AC偏移。迅速解决这个问题的方案是把电差模电感源和接地走线重新布局，以便模拟和数字走线各自独立，再一起连到一个中心位置。在这个中心位置上，把它们连接起来（见图6b）。这种策略利用了走线阻抗、电感和旁路电容器，在电源和接地走线上建立了RC和LC低通滤波器。这样进一步把设计中的敏感部分与噪声隔开。

需要扁平型电感考虑的主要辐射噪声是LED走线（它携带大电流）、RS-232接口中的电荷泵（它能够吸收一定的电流），以及来自微控制器的I/O（具有快速上升时间）。LED和RS-232的驱动器走线会把噪声电感耦合到紧贴电路板的邻近走线上。这种耦合作用的表现即为电压噪声。来自微控制器的快速上升时间信号电容耦合到高阻抗且敏感的走线上。如果走线过于紧密，这种耦合共模电感器作用就会表现为电流噪声。

如果在电路布局中考虑了这些因素，从噪声数字部分功率电感器到敏感的模拟部分的噪声耦合就会减少。这个新布局的模拟电路保持不变，大多数数字电路的布局也同样如此。区别在于现在LED走线是绕过模拟电路而非穿过。RS-232接口的电源和接地也与电路板上敏感的模拟和数字功能分隔开。图6b的电源和接地策略可用于指导布局。

结语

抑制模拟噪声的第一步是选择低噪声模拟元件。可以用滤波器消除信号和电源中的噪声。还应该适当使用膺频滤波器。在电源母线中，必要时可使用旁路电容器和电感线圈。同时，要利用接地层。

当添加数字电路时，要为整个电路制定一个接地和电源策略。需要结合穿过各个路径的电流密度来考虑走线的阻抗和电感。合成布局的目标是最大限度地减少路径噪声，例如走线之间耦合的电容和电感，同时利用走线的电感和阻抗与旁路电容器一道，减少并隔离噪声

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