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AD8099应用手记

助工
2013-06-02 20:42:43    评分
AD8099应用手记

最近在用ADI的一款高速电压反馈型运放AD8099做一款中心频率50MHZ、信号带宽1MHz的低噪放。原本觉得轻而易举就能搞定的事情,却并没有想象的那么一帆风顺,遇到了很多意想不到的问题,特此记下,算是一个简单的经验总结。

首先对AD8099作一下简单的介绍:

AD8099是一款超低噪声(0.95nV)和超低失真(-92dBc@1MHz)的电压反馈运算放大器,这两种特性相结合使其非常适合用于16位和18位系统。AD8099具备一个高线性度、低噪声输入级,可以在低增益下通过高转换速率来增加全功率带宽

AD8099具备外部补偿,从而允许用户设置增益带宽积。外部补偿可实现+2+10的增益,并且频宽折中最小。它还具备的极高压摆率,从而可以灵活地使用整个动态范围,而不影响带宽或产生失真。稳定时间为18nS(稳定度0.1%),过载恢复时间为50nS.

AD8099可在电源电流仅为15mA的情况下驱动负载。AD8099的电源电压范围为5V12V,失调电压为(典型值),带宽为(增益为+2时),增益带宽积(GBWP)为,适合于各种应用。

AD8099有两种封装:SOIC8,以及专门针对高性能和高速放大器而优化的新型引脚分布的LFCSP封装。

接下来详细的讲述一下调试的整个过程:

在最开始设计电路的时候,我再Multisim12里面进行了仿真,随便选择了两个设置增益的电阻,原理图如下所示:

2.png

仿真结果如下图:

3.png

从图上可知,结果很好,并没有出现任何异常。

4.png

波特图也很好,于是我按照仿真的电路搭建了实际的电路。我想先测一下运放的失调电压,于是将输入端接地,然后用万用表测量了一下输出,结果万用表显示3.7V左右。为什么会有这么大的直流失调呢?任何一个运放的失调也不会有这么大啊,况且我设置的增益仅仅只有6.6倍。应该是振荡了!运放的输出锁定到了它的一个最大输出电压轨!按照经验,我又在反馈电阻上面并联了一个30pF的电容,希望通过这种方式补偿,从而消除振荡。可是,结果并没有按照预期的出现,还是继续振荡!

也许是哪里的电容导致的相移使运放振荡的吧?于是又把所有不相干的电容全部拆除了。结果还是一样,振荡!时间已经很晚了,心情很郁闷,因为之前调试的一个AD797也出现了这样的状况,调试了好久都没有正常。以前做过很多运放以及相关的东西,但是都没有出现过这种状况,难道是因为AD8099比较特殊吗?的确比较特殊,它的带宽和压摆率是其他一些电压反馈型运放完全无法企及的。这种高速运放通常比其他类型的运放更加敏感,因为为了能够使运放有足够的带宽和速度,设计者并没有像一般的运放那样在运放内部做足补偿,而是需要通过外部的阻容网络根据设计需要进行外部补偿,因此它对外界的条件也就更加敏感。或许,我该好好读一下数据手册了。于是专门把数据手册打印了出来(还好学校晚上11点的时候打印店还都开着),想认认真真的看一遍,是不是有自己忽略了的有用信息。

果然,当初看手册的时候太随意了,好多细节都没有注意到。

手册中有一段话讲到,当运放的增益高于15的时候,可以不需要进行外部补偿。所以,决定从电路结构最简单的情况入手,于是选择了200K9.1K作为增益设置电阻,并且在反馈电阻上并联了30pF的电容,于是兴冲冲的去测试。依然振荡!不应该啊,增益不都超过20倍了吗,不需要补偿啊,于是试探性的加了一些补偿,还是振荡!

又看了看数据手册,发现了一些新线索:数据手册推荐的反馈电阻的阻值范围为,于是选择了499欧姆和16欧姆的电阻来设置增益,大约为32.2倍。再次测试!用安捷伦六位半的数字万用表34410A测量运放的输出端,哎呀,失调只有约60uV!比数据手册中的典型值还小的多!真是令人兴奋的数据!于是想进一步测试一下交流性能,便输入了50mV频率1K的正弦波,用示波器看了看,基本符合要求。大致看了下其他频率下的输出,也还不错。终于可以往自己需要的增益上推进啦!于是将电路按照下图的参数进行了配置,首先测试了直流失调,很正常的60uV

可是当连接到频谱仪上测试时,却发现存在大量的谐波以及似曾相识的300MHZ及其谐波……

哪儿的问题呢?

想了一整夜,都失眠了……

又看了看参考电路:

对比发现,当增益为+5时,在同相输入端串联了的电阻。为什么要在这儿串联电阻呢?手册中看到了这段话:

8.png

原来如此,增益较低时,如果不添加这个电阻就会导致不稳定。可惜当初设计PCB的时候并没有考虑到这个问题,只好改造PCB了。找了一个刀片,切断了同相端的导线,强行焊接了一个的电阻。改造后的电路如下图所示:

9.png

终于没有振荡了!

再次用频谱仪测试输入为50MHZ正弦波时候的频谱,如图所示:

10.png

13.png

很好的结果,只是存在一些谐波,难道这些谐波是由于运放本身非线性引入的吗?看着谐波相对于信号本身已经小了接近50dBm,也就可以忽略了,于是也没有深究。

与此同时,还对放大器的噪声性能进行了测试,结果如下:

14.png

由图可以看出,噪声基本保持在-90dBc/Hz以下。

该级放大器的后级还有一级中心频率为50MHZ的带通有源滤波器,增益为+5,采用Sallen-Key结构。

仅仅在前面一级放大器上就花了很久的时间,折腾的死去活来,所以当把这一级滤波器加上的时候,内心有点忐忑,希望不要出什么差错。可是,当把仪器都连接好的时候,却发现什么信号都没有……为什么呢???(为什么这么不顺利呢!!!还是继续找问题吧!)检查了一下连接,最后发现竟然是SMA连接器没有选对,公口与母口的内芯都选成空心的了……太粗心大意了!又挑了合适的连接器后,进行了测试,哈哈,很好很正常~终于可以把电路装到霸气侧漏的屏蔽盒里面了~

先上一张调试电路板的图:

16.jpg

迫不及待的把上图中的那些飞舞的导线都拆下来,然后就装到屏蔽盒里了,装好后,如下图:

17.jpg

又检查了一下电源等关键部分是否与屏蔽盒有连接。一切正常后就开始进行测试了。

可是,可是,又振荡了!!!

为什么呢?刚刚还好好地啊,怎么装到屏蔽盒里就振荡了呢?

继续检查!

测第一级输出,正常!

哎呀!原来第一级与第二级连接处的电阻没有连接牢固,有一端是悬空的!是拆掉这两级之间的那个SMA连接线时候留下的缺口!赶紧焊上,再测!

哈哈,一切正常!

与之前的测试结果没有太大差别,很好的指标。只是依然存在谐波,于是想,是不是信号源本身就存在谐波呢?

还是测试一下,用事实说话!

于是便对信号源的频谱进行了测试(主要测试了2次谐波),同时测量了信号源本身的噪声。

结果如下:

22.png

22.png

以上两张图分别是信号源的频谱和经放大器放大后的频谱,通过对比可以发现,经放大器放大后2次谐波的功率增大了约31dBm,恰好与放大器的增益差不多相等。因此,可以断定,这些谐波是信号源本身就存在的,而不是放大器的非线性导致的。

24.png

25.png

以上两张图分别是信号源和经放大器放大后的信号的噪声,经对比可以发现,噪声性能非常好。

总结

经过这次电路调试,对放大器有了进一步的认识,特别是这类高速运算放大器,它与普通的放大器相比,在设计上应该更加谨慎和小心。缘于这类放大器为了实现优异的带宽特性和保真度而作了许多优化,同时为了达到全带宽都具有良好特性,而并未在放大器内部进行完全的补偿,把补偿的任务交到了设计者的手中,以便达到最优的性能。

另一个比较深刻的认识就是耐心和细心。当调试遇到困难的时候,必须要有足够的耐心和毅力坚持下去,认真排查问题,发现导致问题的原因,找出解决问题的方法。通过上面所记录的问题可以发现,最根本的问题并不是这个电路有多难调整,而是自己有多粗心。一开始就没有认认真真的研读数据手册,没能记住关键信息,才导致了调试过程这么艰辛。所以,做事不能急躁,一定要在一切因素都考虑周到之后再下手,这样才能减少后续工作的难度,提升工作效率。

虽然过程艰辛,但是收获也颇丰,特此记下,引以为戒!

201362日星期日 Qdong记于西安电子科技大学主楼304

(注:文中频谱图中的时间有误,皆应该把时间提前一个月。)




关键词: AD8099      放大器     振荡     谐波     ADI    

高工
2013-06-03 10:04:43    评分
2楼
参考了,学习了,我们如何选 择AD8099 SOIC8,那里去申请AD8099 SOIC8的样品

高工
2013-06-03 11:39:35    评分
3楼
顶一个,LZ 分享的不错!

高工
2013-06-03 11:41:27    评分
4楼

申请样片请参考:http://forum.eepw.com.cn/thread/226014/1

有好多网友已经申请了自己所需样片,请参考:http://forum.eepw.com.cn/thread/226019/1


工程师
2013-06-08 23:56:54    评分
5楼
楼主,写的经验很不错,支持一个!!

工程师
2013-06-09 00:02:38    评分
6楼

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8099.pdf

给出AD8099数据手册的下载地址,感觉这款运放可以用到很多地方!


高工
2013-06-21 16:09:52    评分
7楼
替大家谢谢LZ~分享资料

菜鸟
2013-07-15 23:05:07    评分
8楼

楼主的AD8099的封装图可不可以贡献一下,不想画封装,谢谢


菜鸟
2015-06-12 17:46:38    评分
9楼
谢谢分享~~~

助工
2015-08-03 10:19:38    评分
10楼
相当不错,谢谢分享

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