Técnicas de diseño de PCB para reducir la distorsión armónica de un controlador ADC diferencial

El diseño de PCB es un factor clave a la hora de optimizar el rendimiento de linealidad de una placa de alta velocidad. Los artículos anteriores de esta serie discutieron algunas técnicas básicas para reducir la distorsión del segundo armónico. Este artículo, inspirado en el documento de TI "Técnicas de diseño de PCB de alta velocidad", intenta discutir en detalle cómo los capacitores de derivación de riel a riel y riel a tierra deben colocarse en controladores ADC diferenciales de alta velocidad para lograr el máximo rendimiento de linealidad posible.

Controladores ADC diferenciales que utilizan amplificadores operacionales de un solo extremo

Como se muestra en la Figura 1, se puede implementar un controlador ADC diferencial empleando dos amplificadores operacionales de un solo extremo.

Figura 1. Uso de dos amplificadores operacionales idénticos de un solo extremo para implementar un controlador ADC diferencial

Con una señal diferencial aplicada a estas rutas idénticas, los amplificadores operacionales individuales producirán el mismo segundo componente armónico. Apareciendo como una señal de modo común en la entrada de ADC, estos componentes de distorsión serán suprimidos por el ADC diferencial como cualquier otra señal de ruido e interferencia de modo común.
En un artículo anterior, discutimos que se requiere un diseño de PCB simétrico para mantener las dos rutas de un solo extremo idénticas y atenuar el segundo armónico. En este artículo, analizaremos cómo se deben colocar los condensadores de desacoplamiento de los amplificadores operacionales para lograr el máximo rendimiento de linealidad posible.
Sabemos que los condensadores de desacoplamiento actúan como fuentes de carga y proporcionan las corrientes de alta frecuencia que los amplificadores operacionales deben entregar a la carga. Para suministrar las corrientes diferenciales de alta frecuencia, podemos utilizar condensadores de desacoplamiento de riel a tierra y riel a riel.

Estructuras de desacoplamiento de riel a riel frente a riel a suelo

Con la estructura que se muestra en la Figura 1, la corriente entregada a la carga es diferencial, es decir, cuando el amplificador operacional superior genera corriente a la carga, la rama inferior absorbe la corriente y viceversa. Consideremos el caso en el que el amplificador operacional superior genera la corriente de carga y la ruta inferior la absorbe. Las opciones de desacoplamiento de riel a tierra y riel a riel, así como las rutas de corriente, se muestran en la Figura 2. Tenga en cuenta que en esta figura, las resistencias de las etapas de amplificación no se muestran por simplicidad. Además, suponemos que se emplea una placa multicapa con un plano de tierra dedicado.

Figura 2. Estructuras de desacoplamiento de riel a suelo (a) y riel a riel (b)

Con la estructura de desacoplamiento de riel a tierra (Figura 2 (a)), la corriente de alta frecuencia fluirá desde el capacitor de bypass del riel positivo (Cbypass1) a la carga y luego, al capacitor de bypass del riel negativo ( Cbypass2) como se muestra en las flechas azules. El esquema del circuito implica que los nodos A y B están a nivel del suelo y que la ruta que muestran las flechas azules es una ruta cerrada de corriente eléctrica. Sin embargo, en realidad, los nodos A y B son dos nodos distintos en el plano de tierra y la corriente debe fluir desde el nodo B al nodo A para tener una ruta de corriente cerrada. Por lo tanto, la corriente de carga fluirá a través de la ruta de menor impedancia proporcionada por el plano de tierra de regreso al lado de tierra de Cbypass1.
El desafío con esta estructura es que cualquier corriente que fluya en el plano de tierra que esté lo suficientemente cerca de la ruta de retorno de la corriente de carga puede acoplarse con la corriente de carga y alterarla. Además, si la ruta de retorno de la corriente de carga experimenta alguna asimetría del nodo B al A, la simetría entre las rutas de un solo extremo del controlador ADC se verá afectada y aparecerá un segundo armónico más grande en la entrada del ADC.
Para evitar estos problemas, se puede emplear la estructura de desacoplamiento de la Figura 2 (b) donde se coloca un condensador de derivación entre los dos rieles. De esta manera, la corriente de carga diferencial seguirá el camino que muestran las flechas azules y no tendrá que fluir a través del plano de tierra. Según el documento de TI, un condensador de derivación de riel a riel puede reducir la distorsión del segundo armónico de 6 a 10 dB. Tenga en cuenta que, para proporcionar la corriente de carga diferencial en la dirección opuesta, necesitamos incluir otro condensador de derivación de riel a riel (Cbypass4) como se muestra a continuación en la Figura 3.

figura 3

La ruta para la corriente de carga proporcionada por Cbypass4 se muestra con flechas azules.

¿Qué pasa con las corrientes de modo común?

Con la estructura representada en la Figura 1, la corriente proporcionada por los amplificadores operacionales es principalmente diferencial y puede ser suministrada por los capacitores de desacoplamiento de riel a riel. Sin embargo, todavía podemos tener pequeños componentes de corriente en modo común. Por ejemplo, suponga que un componente de ruido se acopla a la entrada no inversora de los dos amplificadores operacionales y aumenta ligeramente el voltaje de estos nodos. Esto producirá una corriente de modo común que fluirá desde los dos amplificadores operacionales. Como se muestra en la Figura 4, tal corriente de modo común cargará la capacitancia parásita de las trazas de PCB.

Figura 4

Tenga en cuenta que los condensadores de derivación de riel a riel no pueden suministrar estas corrientes de modo común. En la Figura 4, los amplificadores operacionales tendrán que proporcionar componentes de corriente de modo común de alta frecuencia directamente a través de los conductores de potencia y de tierra, lo que no se desea. Por lo tanto, necesitamos agregar capacitores de derivación de riel a tierra como se muestra en la Figura 5.

Figura 5

Como puede ver, la corriente de modo común que sale de los dos amplificadores operacionales será proporcionada por los condensadores de derivación entre el riel positivo y la tierra (Cbypass5 y Cbypass7). Esta corriente de modo común cargará la capacitancia parásita de las trazas. Por lo tanto, una corriente de retorno fluirá desde el lado de tierra de las capacitancias parásitas de regreso al lado de tierra de Cbypass5 y Cbypass7 en el plano de tierra. De manera similar, la corriente de modo común absorbida por los dos amplificadores operacionales será proporcionada por los capacitores de derivación colocados entre el riel negativo y la tierra (Cbypass6 y Cbypass8).

Las tapas de riel a tierra pueden proporcionar corrientes diferenciales y de modo común

Si bien agregamos Cbypass5, Cbypass6, Cbypass7 y Cbypass8 para proporcionar las corrientes de modo común, estos condensadores también proporcionarán una parte de la corriente diferencial de alta frecuencia de la carga. Como se ilustra en la Figura 2 (a), el uso de condensadores de riel a tierra puede hacer innecesariamente que la corriente de carga diferencial fluya a través del plano de tierra, lo que no se desea. Para evitar esto, podemos colocar los condensadores de derivación de riel a tierra que pueden suministrar corrientes diferenciales de manera simétrica y poner a tierra la traza entre ellos en el punto medio. Esto se ilustra mejor gráficamente en la Figura 6.

Figura 6

La figura anterior muestra el caso en el que el amplificador operacional superior genera la corriente de carga y la ruta inferior la absorbe. En este caso, Cbypass5 y Cbypass8 pueden suministrar una parte de la corriente diferencial de carga. Para evitar que la corriente diferencial fluya a través del plano de tierra, conectamos el lado de tierra de Cbypass5 y Cbypass8 juntos mediante una traza de PCB en la capa de señal de la placa y conectamos a tierra esta traza en un punto medio (nodo A en la figura). Con una señal diferencial, el nodo A debería ser teóricamente una tierra virtual y la corriente diferencial no debería fluir hacia el plano de tierra (Iground = 0 para una corriente de carga diferencial). De manera similar, colocamos Cbypass6 y Cbypass7 simétricamente entre sí y conectamos a tierra la traza entre los dos capacitores en el punto medio. Puede encontrar un diseño de ejemplo aplicando las técnicas anteriores en este informe de aplicación de TI.
Como nota final, vale la pena mencionar que estas técnicas también son aplicables a controladores ADC basados ​​en amplificadores operacionales totalmente diferenciales. Para obtener más información, consulte el documento de TI que mencioné anteriormente.

Conclusión

Para extraer el máximo rendimiento de linealidad de un controlador ADC diferencial, necesitamos un diseño de PCB simétrico. El empleo de un condensador de derivación de riel a riel como fuente de carga principal para corrientes diferenciales de alta frecuencia puede reducir el segundo componente armónico de 6 a 10 dB. Seguiremos necesitando condensadores de derivación de riel a tierra para suministrar las corrientes de modo común. Dado que estos condensadores también pueden proporcionar una parte de la corriente diferencial de carga, necesitamos colocarlos simétricamente para que la corriente de carga diferencial no pueda fluir hacia el plano de tierra.