12ビットADCを使用する場合の設計の要点

私は現在、12ビットADC（MCP3208）をRaspberry Piに（他のいくつかの低速I / O関連のものに加えて）接続しているボードを設計しています。それは主にアナログセンサー（温度センサー、IR距離センサーなど）に接続されますが、必ずしも12ビットの解像度を必要とするわけではありませんが、追加の情報が必要な場合もあります。

私はアナログ回路の経験があまりなく、関連する基礎となる数学と物理学をよく理解していません。

私はADCに関するいくつかの設計ガイドを読んでいますが、アンチエイリアシングフィルター、高インピーダンス信号用のADCドライバー、アナロググランドプレーン、特定のパターンでトレースをレイアウトしてノイズを低減し、高速デジタルエレクトロニクスをできるだけ分離したままにすることについてよく読んでいますスイッチングノイズ、高精度電圧リファレンスなど、まだ十分に理解していないものをADCから削減できます。

それで私が疑問に思い始めたのは、12ビットADCを使用するのが理にかなっているかどうかです。回路設計が最適ではないために2つのLSBが失われる可能性があるため、正しく実装する専門知識がない場合は、 10ビットADCで行く。または、最適な回路設計は、12ビットの領域では、私が信じているほど重要ではありません。

ノイズを減らすために常に実装する必要があるものは何ですか（明らかなバイパスキャップがある場合）？私のような混合信号アプリケーション（ADCと通信するGHzプロセッサを持っている）のノイズの最大の原因は何ですか？高精度のアプリケーション（14-16ビット+）でのみ実際に必要なものは何ですか？

気をつけなければならない理にかなった本質的なことを本当に知りたいです。

中精度、低サンプルレートのミックスドシグナルアプリケーションの場合、直面する主な問題は、十分に正確なリファレンスがあり、デジタルスイッチングノイズをADCから排除することです。これにはいくつかのステップがあり、設計段階から始まり、ボードレイアウトまで続きます。

回路設計中

まず、設計フェーズでは、正しい変換を行うために、適切なリファレンス、正しいデカップリング、および低インピーダンス信号ドライブをADCに供給する必要があります。また、ADCが高周波をベースバンドに効果的にダウンコンバートしないように信号をフィルター処理する必要があります（RFアプリは低速のADC +バンドパスフロントエンドフィルターを使用して信号をナイキストダウンコンバートするため、節約できます）専用ミキサーとLOで）。

参照を安定させる

参照は、些細で哀れな（ジェリービーンディスクリートツェナー、4ビット）、非常識（オーブンに入れられたIC埋め込みツェナー、高性能計装アプリケーションで使用されます）から、仕様が明確でない場合が多く、初心者を混乱させる方法。LTC AN82のチャートは、このための便利な解毒剤です-安定した基準と5V電源が与えられたADCが11+ ENOBに対応できる12ビットユニットであるアプリケーションを考えると、基準を0.02％まで正確に指定するか、対象の温度範囲全体で良好であり、RMSノイズは精度仕様よりも1桁程度小さいため、問題にはなりません。

残念ながら、トリムなしの0.02％の初期精度は、物事がかなり難しくなるところです。必要なENOBパフォーマンスが4.096Vリファレンスを使用するということは、Piの3.3VI / Oへのロジックレベルトランスレータを備えた静かな5V電源でADCを実行したいということであり、4.096Vは便利で便利な1mV /関係を数える、我々は、これらに限定されているADR4540、X60003、MAX6126AASA、または多分LTC6655B最後のパーツは、初期精度が0.025％であるため、近くにカットされます。これは私が想定しているベンチアプリケーションであるため、tempcoとヒステリシスは関係ありませんが、ADCと同じ調整された5V電源から給電され、ADCのVrefピンのみを駆動するため、ラインおよび負荷の調整は大きな問題ではありません。長期ドリフトトリムがないため、ここでも問題になります。これについては、ADR4540とMAX6126AASAは、それぞれ25ppm / root-khrと20ppm / root-khr（通常は必要な10-1の比率）で明らかに勝者です。長期的なドリフトは取るに足りないと考えます。（他の2つの部品は、通常50から60ppm / root-khr程度の長期ドリフトがあります。）

すべてを分離する

MCP3208のデータシートでは、デカップリング用に最低1µFのコンデンサを推奨しており、Vddからグランドシステムに接続します。AGNDとDGNDも同じグランドシステムに接続する必要があります。ボードの5Vレールにも、最小10µF / 10Vのセラミックまたはポリマータンタルバルクデカップラーを使用する必要があります。

これに加えて、リファレンスはデータシートに従ってデカップリングする必要があります-これは、存在するバルクデカップリングキャパシタンスに加えて、出力で100nF、入力で100nFであることが多いですが、LTC6655は（同じバルクデカップラーが動作するときのP / N）、およびX60003は低電力設計のため、逆方向にうるさいです。

入力ドライブ/バッファリング/フィルタリング

これはありがたいことに難しいことではありません-0.02％の精度は最大入力オフセットの800µVに相当し、今日のゼロで利用可能な単一の5V電源で実行中に、MHz範囲のGBWでそれよりも2桁優れています。 -ドリフトおよび内部トリミングされたアンプ。AD8630は、高速の内部でトリミングされた低オフセットアンプが含まれている間、低ノイズのオートゼロオプションを提供しOPA4350およびOPA4192を。どちらの方法でも、MCP3208データシートの2極SallenおよびKeyローパスアンチエイリアシングフィルターを使用できます。コーナー周波数は約5kHz程度に設定されています。他のフィルター設計も同様に機能します。

電源とデジタルインターフェース

MCP3208のENOB（有効ビット数）の仕様は電源に依存します。2.7V〜3.3 Vの電源よりも5 Vの電源の方が性能が優れています。また、4.096Vリファレンスを使用するには、5Vで動作している必要があります。これは、Piが3.3Vロジックを使用し、5Vトレラントではないという問題を引き起こします。TXB0104などのロジックレベル変換ICが必要です。A側が Piに行き、B側がADCに行きます。

さらに、5V電源は適度にクリーンでなければなりません。より高い電源電圧からオンボードで生成するには、リニアレギュレータを使用する必要があります。アプリケーションでより高い電源電圧が利用できない場合、LCデカップリングネットワークを使用してADCとオペアンプの電源レールから大量のデジタルノイズを除去することを条件に、既存の5Vレールを使用できます。

レイアウト時間

効果的なミックスドシグナルレイアウトには、パーティショニングとサプライ/リターンレイアウトの 2つの鍵があります。それらについて順に説明します。

まず、ボードのレイアウトをデジタル側とアナログ側の2つの側面にきれいに分割します。すべてのデジタルトレース（使用しているMCP3208の場合はSPIインターフェイス）は、ボードのデジタル側にあります。ボードのこの側には、ロジックレベルトランスレータチップとPiへのI / Oコネクタも含まれています。ボードのアナログ側には、すべてのアナログトレースと回路が含まれています。電圧リファレンスがここにあり、入力フィルター、入力保護、およびアナログ入力コネクターも同様です。ADC（およびPiから5Vを使用している場合はフィルターインダクター）は、このギャップを埋める唯一のコンポーネントです-実際には、

また、私がリンクしたすべての部品は粗ピッチSMTパッケージで提供されていることに注意してください。ここで両面ボードを使用する場合は、裏面を連続GNDプレーンとして片面レイアウトにすることを強くお勧めします。コストが問題にならない場合、4層ボードは、グラウンドプレーンに加えて連続的なアナログVddプレーンを提供し、ロジックレベルトランスレータICの3.3Vロジック側に「パワーパドル」の余地を提供します。ただし、このアプリケーションではグランドプレーンを分割する必要はありません。信号トレースを適切にルーティングすると、リターン電流がそれらに属する場所に保持されます。