高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入阻抗測量
加入技術(shù)交流群
利用高速ADC進(jìn)行設(shè)計時，常常要考慮這樣的問題：“ADC的模擬輸入阻抗與頻率有何關(guān)系？”數(shù)據(jù)手冊只給出對應(yīng)一個頻點的阻抗。如果要處理100 MHz以上的IF，那輸入阻抗是多少？輸入阻抗是隨頻率變化還是保持不變？
考慮在信號鏈中使用任何新器件時，輸入/輸出阻抗通常是讓所需的信號鏈各模塊配合得當(dāng)?shù)闹匾?guī)范。對于高速轉(zhuǎn)換器，這一規(guī)范已變得非常重要，因為設(shè)計(特別是通信基礎(chǔ)設(shè)施中的那些設(shè)計)已將IF從20MHz基帶提高到200MHz以上(如果采樣速率為122.88MHz，則處在第4奈奎斯特區(qū))，并且還在不斷升高。
2000年以前，一般“認(rèn)為”在基帶頻率，其阻抗很高，達(dá)數(shù)千歐姆，現(xiàn)在仍然如此。然而，隨著設(shè)計的IF頻率越來越高，時不時會冒出實際阻抗是多少、以及它是否隨頻率而變化等問題。通常，數(shù)據(jù)手冊將差分輸入阻抗規(guī)定為一個簡單的RC并聯(lián)組合。然而，并不是所有ADC數(shù)據(jù)手冊都闡明了它的真實含義。
“有緩沖”或“無緩沖”
考慮輸入阻抗的影響時，設(shè)計人員一般可以在兩類高速ADC之間選擇：有緩沖和無緩沖(即采用開關(guān)電容)。雖然有許多不同的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇，但本文討論的應(yīng)用僅涉及流水線架構(gòu)。
常用的CMOS開關(guān)電容ADC無內(nèi)部輸入緩沖器。因此，其功耗遠(yuǎn)低于緩沖型ADC。外部前端直接連接到ADC的內(nèi)部開關(guān)電容采樣保持(SHA)電路，這帶來兩個問題。
第一，當(dāng)ADC在采樣與保持兩種模式之間切換時，其輸入阻抗會隨頻率和模式而變化。第二，來自內(nèi)部采樣電容和網(wǎng)絡(luò)的電荷注入會將少量信號(與高頻成分混合，如圖1所示)反射回前端電路和輸入信號，這可能導(dǎo)致與轉(zhuǎn)換器模擬輸入端相連的元件(有源或無源)發(fā)生建立(settling)錯誤。
圖1：此圖反映了內(nèi)部采樣電容的時域電荷注入(單端)與頻域電荷注入的對比關(guān)系。
通常，當(dāng)頻率較低時(<100MHz)，這類轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗非常高(數(shù)千Ω左右)；當(dāng)頻率高于200MHz時，差分輸入阻抗跌落至大約200Ω。輸入阻抗的虛部(即容性部分)也是如此，低頻時的容抗相當(dāng)高，高頻時逐漸變小到大約1-2pF。“匹配”這種輸入結(jié)構(gòu)是個極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計問題，特別是當(dāng)頻率高于100MHz時。
輸入端采用差分結(jié)構(gòu)很重要，尤其是對于頻域設(shè)計。差分前端設(shè)計能夠更好地對電荷注入進(jìn)行共模抑制，并且有助于設(shè)計。
采用帶輸入緩沖的轉(zhuǎn)換器更便于設(shè)計。但不利的一面是這類轉(zhuǎn)換器的功耗更高，因為緩沖器必須設(shè)計得具有高線性和低噪聲特性。輸入阻抗通常規(guī)定為固定的差分R||C阻抗。它由一個晶體管級進(jìn)行緩沖，該級以低阻抗驅(qū)動轉(zhuǎn)換過程，因此顯著減小了電荷注入尖峰和開關(guān)瞬變。
與開關(guān)電容型ADC不同，輸入終端在轉(zhuǎn)換過程的采樣和保持階段幾乎無變化。因此，相比于無緩沖型ADC，其驅(qū)動電路的設(shè)計容易得多。圖2為緩沖型和無緩沖型ADC的內(nèi)部采樣保持電路的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2: 所示是無緩沖(a)和有緩沖(b)高速流水線ADC采樣和保持電路的比較。
轉(zhuǎn)換器的選擇可能很難，但如今的大部分設(shè)計都力求更低功耗，因此設(shè)計人員往往采用無緩沖型轉(zhuǎn)換器。如果線性指標(biāo)比功耗更重要，則通常選用緩沖型轉(zhuǎn)換器。應(yīng)當(dāng)注意，無論選擇何種轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用的頻率越高，則前端設(shè)計就越困難。單靠選擇緩沖型轉(zhuǎn)換器并不能解決所有問題。不過在某些情況下，它可能會降低設(shè)計復(fù)雜性。
評論