基于网络分析仪测量高速模数转换器输入阻抗详解

在通信领域，随着中频（IF）频率越来越高，了解输入阻抗如何随频率而变化变得日益重要。本文解释了为什么ADC输入阻抗随频率而变化，以及为什么这是个电路设计难题；然后比较了确定输入阻抗的两种方法：利用网络分析仪测量法和利用数学分析方法计算法。本文还介绍了正确使用网络分析仪的过程，并且提供了一个数学模型，其计算结果与实际测量结果非常接近。

利用高速ADC进行设计时，常常要考虑这样的问题："ADC的模拟输入阻抗与频率有何关系？"数据手册只给出对应一个频点的阻抗。如果要处理100 MHz以上的IF，那输入阻抗是多少？输入阻抗是随频率变化还是保持不变？

考虑在信号链中使用任何新器件时，输入/输出阻抗通常是让所需的信号链各模块配合得当的重要规范。对于高速转换器，这一规范已变得非常重要，因为设计（特别是通信基础设施中的那些设计）已将IF从20MHz基带提高到200MHz以上（如果采样速率为122.88MHz，则处在第4奈奎斯特区），并且还在不断升高。

2000年以前，一般"认为"在基带频率，其阻抗很高，达数千欧姆，现在仍然如此。然而，随着设计的IF频率越来越高，时不时会冒出实际阻抗是多少、以及它是否随频率而变化等问题。通常，数据手册将差分输入阻抗规定为一个简单的RC并联组合。然而，并不是所有ADC数据手册都阐明了它的真实含义。

"有缓冲"或"无缓冲"

考虑输入阻抗的影响时，设计人员一般可以在两类高速ADC之间选择：有缓冲和无缓冲（即采用开关电容）。虽然有许多不同的转换器拓扑结构可供选择，但本文讨论的应用仅涉及流水线架构。

常用的CMOS开关电容ADC无内部输入缓冲器。因此，其功耗远低于缓冲型ADC。外部前端直接连接到ADC的内部开关电容采样保持（SHA）电路，这带来两个问题。

第一，当ADC在采样与保持两种模式之间切换时，其输入阻抗会随频率和模式而变化。第二，来自内部采样电容和网络的电荷注入会将少量信号（与高频成分混合，如图1所示）反射回前端电路和输入信号，这可能导致与转换器模拟输入端相连的元件（有源或无源）发生建立（settling）错误。

图1：此图反映了内部采样电容的时域电荷注入（单端）与频域电荷注入的对比关系。

通常，当频率较低时（《100MHz），这类转换器的输入阻抗非常高（数千Ω左右）；当频率高于200MHz时，差分输入阻抗跌落至大约200Ω。输入阻抗的虚部（即容性部分）也是如此，低频时的容抗相当高，高频时逐渐变小到大约1-2pF。"匹配"这种输入结构是个极具挑战性的设计问题，特别是当频率高于100MHz时。

输入端采用差分结构很重要，尤其是对于频域设计。差分前端设计能够更好地对电荷注入进行共模抑制，并且有助于设计。

采用带输入缓冲的转换器更便于设计。但不利的一面是这类转换器的功耗更高，因为缓冲器必须设计得具有高线性和低噪声特性。输入阻抗通常规定为固定的差分R||C阻抗。它由一个晶体管级进行缓冲，该级以低阻抗驱动转换过程，因此显著减小了电荷注入尖峰和开关瞬变。

与开关电容型ADC不同，输入终端在转换过程的采样和保持阶段几乎无变化。因此，相比于无缓冲型ADC，其驱动电路的设计容易得多。图2为缓冲型和无缓冲型ADC的内部采样保持电路的结构简图。

图2：所示是无缓冲（a）和有缓冲（b）高速流水线ADC采样和保持电路的比较。

转换器的选择可能很难，但如今的大部分设计都力求更低功耗，因此设计人员往往采用无缓冲型转换器。如果线性指标比功耗更重要，则通常选用缓冲型转换器。应当注意，无论选择何种转换器，应用的频率越高，则前端设计就越困难。单靠选择缓冲型转换器并不能解决所有问题。不过在某些情况下，它可能会降低设计复杂性。

转换器输入阻抗计算：测量方法

表面上，这似乎非常棘手，但其实有多种方法可以测量转换器的阻抗。技巧在于利用网络分析仪来完成大部分琐碎工作，不过这种设备可能价格不菲。其优点是，当今的网络分析仪能够实现许多功能，像迹线计算和去嵌入等；对于阻抗转换等任务，它可以直接给出答案，而不需要使用外部软件。

测量转换器的阻抗需要两块电路板、一台网络分析仪和一点"入侵"知识。第一块板焊接有ADC/DUT（待测器件），还焊接了其它元件以提供偏置和时钟（图3a）。第二块高速ADC评估板去除了前端电路，仅留连至转换器模拟输入引脚的走线（图3b）。

图3： ADC的阻抗测量需要一块ADC评估板（a）且要将（a）中的前端去掉以用于测量（b）。

第二块板除去了拆掉的前端电路的任何走线寄生效应。为此，必须使用与图3b所示一模一样但没焊装器件的电路裸板（图4a）。