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          轉(zhuǎn)換器輸入阻抗計(jì)算方法及測(cè)量技巧

          作者: 時(shí)間:2013-05-26 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          表面上,這似乎非常棘手,但其實(shí)有多種方法可以測(cè)量的阻抗。技巧在于利用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)完成大部分瑣碎工作,不過(guò)這種設(shè)備可能價(jià)格不菲。其優(yōu)點(diǎn)是,當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)許多功能,像跡線計(jì)算和去嵌入等;對(duì)于阻抗轉(zhuǎn)換等任務(wù),它可以直接給出答案,而不需要使用外部軟件。

            測(cè)量的阻抗需要兩塊電路板、一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀和一點(diǎn)“入侵”知識(shí)。第一塊板焊接有ADC/DUT(待測(cè)器件),還焊接了其它元件以提供偏置和時(shí)鐘(圖3a)。第二塊高速ADC評(píng)估板去除了前端電路,僅留連至模擬輸入引腳的走線(圖3b)。

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            圖3: ADC的阻抗測(cè)量需要一塊ADC評(píng)估板(a)且要將(a)中的前端去掉以用于測(cè)量(b)。

            第二塊板除去了拆掉的前端電路的任何走線寄生效應(yīng)。為此,必須使用與圖3b所示一模一樣但沒(méi)焊裝器件的電路裸板(圖4a)。然后切割該裸板,只剩下前端電路走線進(jìn)入ADC的模擬輸入引腳的那部分(圖4b)。

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            圖4: 為去掉被剝離的前端電路的導(dǎo)線寄生效應(yīng),應(yīng)使用圖3b所示的未焊件裸板(a)。該板的一個(gè)剪切版只允許前端電路導(dǎo)線連接到ADC的模擬輸入引腳(b)。

            需要在轉(zhuǎn)換器的引腳處安裝一個(gè)連接器(通常會(huì)有足夠的銅來(lái)完成這一任務(wù))。在此階段可發(fā)揮創(chuàng)造性以保證該連接器的牢固連接。通常,ADC的裸露焊盤(epad)可用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器本身到地的連接。假設(shè)前端電路的兩條差分走線相等且對(duì)稱,那么只需要使用其中的一條走線。該板用于實(shí)現(xiàn)“通過(guò)”測(cè)量,最后將從焊有器件電路板的測(cè)量結(jié)果中減去前一測(cè)量結(jié)果。

            下一步是對(duì)剪切后的小裸板(圖4b所示的第二塊板)實(shí)施“通過(guò)”測(cè)量,以測(cè)量S21(圖5)。這個(gè)文件(應(yīng)以touchstone格式或?.S2P文件形式保存)將成為去嵌入文件,用以從焊有器件的板中剔除所有走線寄生效應(yīng)。

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            圖5: 圖4b所示剪切板的去掉前端電路后的導(dǎo)線阻抗。

            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)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)。

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

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

            轉(zhuǎn)換器計(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。

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            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

            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,采樣開關(guān)斷開,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。

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            圖9: 顯示的是轉(zhuǎn)換器輸入阻抗曲線的“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。

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            圖10: 顯示的是轉(zhuǎn)換器輸入阻抗曲線的“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。



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