基于網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入阻抗詳解

然后只需以差分配置將焊件板（圖3b所示的第一塊板）連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀。應(yīng)為該板提供電源和時(shí)鐘，以確保能捕捉到測(cè)量過(guò)程中轉(zhuǎn)換器內(nèi)部前端設(shè)計(jì)的任何寄生變化。

焊件板“上電”后，轉(zhuǎn)換器看起來(lái)像是在典型應(yīng)用中。在此測(cè)量中，將先前在切割裸板的各端口（各模擬輸入走線(xiàn)）上測(cè)得的板寄生效應(yīng)（圖6）去掉。最終將從當(dāng)前ADC測(cè)量結(jié)果中減去板寄生效應(yīng)，僅在圖中顯示封裝和內(nèi)部前端阻抗（圖7）。

圖6：這條曲線(xiàn)說(shuō)明了沒(méi)去掉前端電路寄生效應(yīng)的ADC阻抗。

圖7： 這條曲線(xiàn)說(shuō)明了去掉前端電路寄生效應(yīng)的ADC的阻抗。

　轉(zhuǎn)換器輸入阻抗計(jì)算：數(shù)學(xué)方法

現(xiàn)在我們通過(guò)數(shù)學(xué)方法分析一下，看花在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量上的時(shí)間是否值得。可對(duì)任何轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部輸入阻抗實(shí)施建模（圖8）。該網(wǎng)絡(luò)是表述跟蹤模式下（即采樣時(shí)）輸入網(wǎng)絡(luò)交流性能的一個(gè)良好模型。

圖8：跟蹤模式（實(shí)施采樣時(shí)）下，ADC內(nèi)部輸入網(wǎng)絡(luò)的AC性能。

ADC internal input Z：ADC內(nèi)部輸入阻抗

通常，任何數(shù)據(jù)手冊(cè)都會(huì)給出某種形式的靜態(tài)差分輸入阻抗、以及通過(guò)仿真獲得的R||C值。本文所述方式所用的模型非常簡(jiǎn)單，目的是求出高度近似值并簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)計(jì)算。否則，如果等效阻抗模型還包括采樣時(shí)鐘速率和占空比，那么很小的阻抗變化就可能使數(shù)學(xué)計(jì)算變得異常困難。

還應(yīng)注意，這些值是ADC內(nèi)部電路在跟蹤模式下采樣過(guò)程（即對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)際采樣）中的反映。在保持模式下，采樣開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，輸入前端電路與內(nèi)部采樣處理或緩沖器隔離。

推導(dǎo)該簡(jiǎn)單模型（圖8）并求解實(shí)部和虛部：

Z0 = R， Z1 = 1/s • C， s = j • 2 • π • f， f = frequency

ZTOTAL = 1/（1/Z0 + 1/Z1） = 1/（1/R + s • C） = 1/（（1 + s • R • C）/R）） = R/（1 + s • R • C）

代換s并乘以共軛復(fù)數(shù)：

ZTOTAL = R/（1 + j • 2 • π • f • R • C） = R/（1 + j • 2 • π • f • R • C） • （（1 – j • 2 • π • f • R • C）/（1 – j • 2 • π • f • R • C）） = （R –j • 2 • π • f • R2 • C）/（1 + （2 • π • f • R • C）2）

求出“實(shí)部”（Real）和“虛部”（Imag）：

ZTOTAL = Real + j • Imag = R/（1 + （2 • π • f • R • C）2） + j • （–2 • π • f • R2 • C）/（1 + 2 • π • f • R • C）2）

Real = R/（1 + （2 • π • f • R • C）2） Imag = （–2 • π • f • R2 • C）/（1 + （2 • π • f • R • C）2）

這一數(shù)學(xué)模型與跟蹤模式下的交流仿真非常吻合（圖9和圖10）。這個(gè)簡(jiǎn)單模型的主要誤差源是阻抗在高頻時(shí)的建立水平。注意，這些值一般是通過(guò)一系列仿真得出的，相當(dāng)準(zhǔn)確。

圖9：顯示的是轉(zhuǎn)換器輸入阻抗曲線(xiàn)的“實(shí)部”部分，它比較了經(jīng)測(cè)量、數(shù)學(xué)和仿真方法得到的結(jié)果。

圖10：顯示的是轉(zhuǎn)換器輸入阻抗曲線(xiàn)的“虛部”部分，它比較了經(jīng)測(cè)量、數(shù)學(xué)和仿真方法得到的結(jié)果。

現(xiàn)在討論圖9和圖10所示的測(cè)量結(jié)果。所有三條曲線(xiàn)并不完全重合，但很接近，這是因?yàn)槟承y(cè)量誤差總是存在的，而且仿真可能并未考慮到轉(zhuǎn)換器的所有封裝寄生效應(yīng)。因此，一定程度的不一致是正常的。盡管如此，這些曲線(xiàn)在形狀和輪廓方面都很相似，相當(dāng)近似地給出了轉(zhuǎn)換器的阻抗特性。

注意，網(wǎng)絡(luò)分析儀只能在其特征阻抗標(biāo)準(zhǔn)乘/除10倍的范圍內(nèi)提供可信的測(cè)量結(jié)果。如果網(wǎng)絡(luò)分析儀的特征阻抗為50Ω，那么只能在5Ω到500Ω的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)令人滿(mǎn)意的測(cè)量。這也是數(shù)據(jù)手冊(cè)中更愿意列出簡(jiǎn)單R||C值的原因之一。

ADC輸入阻抗總結(jié)

了解轉(zhuǎn)換器阻抗是信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。總之，若非真正需要，為什么要浪費(fèi)大筆資金去購(gòu)買(mǎi)昂貴的測(cè)試設(shè)備，或者費(fèi)力去測(cè)量阻抗？不如使用數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的RC并聯(lián)組合阻抗并稍加簡(jiǎn)單計(jì)算，這種獲取轉(zhuǎn)換器阻抗曲線(xiàn)的方法更快捷、更輕松。

還應(yīng)注意，工藝電阻容差可高達(dá)±20%。即使費(fèi)盡辛苦去測(cè)量任何器件的輸入或輸出阻抗，也只能獲取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（當(dāng)然，除非測(cè)量多個(gè)批次的許多器件隨溫度和電源電壓變化的情況）。請(qǐng)使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的仿真R||C值，它提供了關(guān)于特征阻抗與頻率關(guān)系的足夠信息，由此可以設(shè)計(jì)出正常工作的信號(hào)鏈。