模拟乘法器这个器件说起来简单做起来坑不少。AD633 算是我在模拟信号处理电路里用得比较顺手的一颗芯片四象限乘法、除法、平方、开方都能干带宽 1MHz输出是标准的 10V 满量程用起来比那些需要外接运放做电平搬移的方案省心得多。但省心归省心真到板子上跑起来偏置、馈通、增益误差这些问题一个都不会少。这篇就把我这些年用 AD633 做功能测试和调试的经验整理一下从芯片本身的引脚逻辑讲起到测试电路怎么搭、仪器怎么接、数据怎么读再到常见故障怎么排查尽量把每个环节的为什么说清楚。如果你手上正好有一块 AD633 的评估板或者自己画的测试板准备做功能验证或者调试时发现输出不对、波形失真、直流偏置压不下去这篇内容应该能帮你少走点弯路。即便你是第一次接触模拟乘法器只要跟着思路走也能把测试流程跑通。1. AD633 的引脚逻辑与内部结构决定了测试思路1.1 从功能框图理解各引脚的真实角色AD633 的引脚不多8 个脚但每个脚的功能边界需要先搞清楚否则测试时很容易把问题归错地方。它的内部结构大致可以分成三块差分输入级、乘法核心、输出放大与求和级。X1、X2 是一组差分输入Y1、Y2 是另一组差分输入W 是求和输入Z 是输出另外还有 V、V- 和两个 N/C 脚。关键点在于AD633 的传递函数是W (X1 - X2)(Y1 - Y2)/10 Z这个公式里的除以 10 是芯片内部固定的标度因子不是外部配置的。也就是说当 X 差分输入为 10V、Y 差分输入为 10V 时输出 W 才是 10V。很多人第一次用的时候会下意识以为输入 1V 乘 1V 就输出 1V结果发现是 0.1V然后开始怀疑芯片坏了。其实这就是标度因子在起作用。Z 脚是求和输入这个脚在实际使用中非常关键。如果你只做乘法Z 直接接地就行。但如果你想做平方、除法或者带偏置的运算Z 脚就是实现这些功能的入口。比如做除法时就是把乘法器的输出经过反馈回到 Z 脚利用闭环让分母项抵消掉。1.2 差分输入的实际操作边界X 和 Y 都是差分输入这意味着你可以单端输入也可以差分输入。单端输入时把其中一个脚接地信号从另一个脚进。但这里有个细节接地的那一端最好通过一个匹配电阻接地而不是直接硬接地。原因是差分输入级内部有偏置电流如果两端阻抗不匹配会引入额外的失调电压。我在实际测试中遇到过这样的情况X1 接信号源X2 直接接地结果输出端有一个几十毫伏的直流偏置怎么调都调不掉。后来在 X2 和地之间加了一个和信号源输出阻抗相同的电阻偏置立刻降到了几毫伏以内。这个细节在数据手册里不会特别强调但实际用的时候影响很大。另外差分输入的共模范围也要注意。AD633 的输入共模范围大致在 V- 到 V 减去 3V 左右具体值要查手册。如果你用的是 ±15V 供电共模范围大概在 -15V 到 12V 之间。超过这个范围输入级会饱和输出就不对了。1.3 输出脚 Z 和 W 的配合关系W 脚是输出Z 脚是求和输入。这两个脚的关系是W 等于乘法结果加上 Z。注意Z 是直接加到输出上的不经过任何衰减。这意味着如果你在 Z 脚上加了一个电压输出就会直接叠加上去。这个特性在做偏置调整时很有用。比如你发现输出有一个固定的直流偏置可以通过在 Z 脚加一个反向的直流电压来抵消。但要注意Z 脚的输入阻抗不是无穷大加电压的时候要考虑驱动能力。我在做平方运算测试时就是把 X 和 Y 接在一起Z 接地输出就是输入信号的平方除以 10。这时候如果输入是 1V 的正弦波输出就是 0.1V 的平方项包含一个直流分量和一个二倍频分量。这个直流分量就是输入信号平方后的平均值用示波器看的时候要区分清楚。2. 测试电路搭建从原理图到实际布局的取舍2.1 供电方案的选择与去耦电容的放置AD633 的供电范围比较宽±8V 到 ±18V 都能工作。但供电电压的选择会直接影响输出动态范围。如果你需要输出 10V 满量程供电至少要 ±15V因为输出级需要一定的裕量。我一般用 ±15V这是最通用的选择。去耦电容的放置是个老生常谈的问题但 AD633 对电源噪声比较敏感。我的做法是在 V 和 V- 脚各放一个 0.1uF 的陶瓷电容紧贴芯片引脚再在电源入口处放一个 10uF 的钽电容。这两个电容的分工不同0.1uF 负责高频去耦10uF 负责低频储能。有一次我偷懒只放了 10uF 的电容结果输出波形上叠加了明显的开关噪声频率大概在几百 kHz。后来补上 0.1uF 的陶瓷电容噪声立刻消失了。这个教训告诉我高频去耦不能省。另外AD633 的电源引脚对地阻抗要尽量低。如果用的是双面板电源走线要尽量宽地平面要完整。如果是洞洞板搭电路电源线和地线要用粗一点的线最好双线并走。2.2 输入信号源的阻抗匹配与电平设置输入信号源的输出阻抗会影响测试精度。理想情况下信号源输出阻抗越低越好因为 AD633 的输入阻抗不是特别高。数据手册上给的输入阻抗大概是 10kΩ 左右如果你的信号源输出阻抗是 50Ω那基本可以忽略。但如果你用的是高阻抗源比如某些函数发生器的输出阻抗是 600Ω那就要考虑分压效应了。我在测试时一般用 50Ω 输出阻抗的信号源直接接到 X1 或 Y1另一端通过 50Ω 电阻接地。这样两端阻抗匹配失调最小。输入电平的设置也要注意。AD633 的线性输入范围是 ±10V超过这个范围输出会限幅。测试时我一般从 1V 开始逐步增加到 10V观察输出是否线性。如果输入超过 10V输出就不再按比例变化了这时候要检查是不是输入过载。2.3 输出负载的选择与测量仪器的接入AD633 的输出可以驱动 2kΩ 以上的负载。如果你接的负载太轻输出幅度会下降。我一般用 10kΩ 的负载电阻或者直接用示波器的高阻输入1MΩ。示波器探头要校准好否则测量误差会很大。测量输出时我习惯同时用示波器和万用表。示波器看波形形状和动态范围万用表看直流平均值。两者结合能快速判断输出是否正常。如果要做精确测量比如测增益误差那就需要用高精度的数字万用表最好是 6 位半以上的。普通手持表的精度不够测出来的误差可能比芯片本身的误差还大。2.4 布局布线中的接地策略接地是个容易被忽视但影响很大的问题。AD633 的模拟地和数字地要分开最后在电源入口处单点汇合。如果测试板上有数字电路比如单片机或者 FPGA那数字地和模拟地一定要隔离好否则数字噪声会串到模拟输出上。我在一块混合信号板上测试 AD633 时发现输出有周期性的尖峰频率和单片机的时钟一致。后来把模拟地和数字地分开用磁珠连接尖峰就消失了。这个经验说明接地策略不是可有可无的而是直接影响测试结果的。3. 功能测试的完整流程与数据判读3.1 乘法功能的测试步骤与预期结果乘法功能是 AD633 最基本的用法。测试时X 和 Y 各接一个信号源Z 接地输出 W 就是两个输入的乘积除以 10。具体步骤设置 X 输入为 1V 直流Y 输入为 1V 直流测量输出。预期输出是 0.1V。改变 X 输入为 2VY 输入为 1V预期输出是 0.2V。改变 X 输入为 -1VY 输入为 1V预期输出是 -0.1V。改变 X 输入为 1V 正弦波1kHz1VppY 输入为 1V 直流预期输出是 1Vpp 的正弦波幅度是 0.1V。这里要注意输入是峰峰值还是有效值要分清楚。我一般用峰峰值来设置因为示波器读峰峰值最直观。实测中输出和理论值会有偏差主要来源是输入失调和增益误差。AD633 的典型增益误差是 1%输入失调大概是 5mV 左右。所以如果你测出来输出是 0.098V 而不是 0.1V这是正常的不需要调。3.2 平方功能的实现与直流分量处理平方功能就是把 X 和 Y 接在一起输入同一个信号。输出是输入信号的平方除以 10。如果输入是正弦波输出就是正弦波的平方除以 10。根据三角恒等式正弦波的平方等于 (1 - cos2ωt)/2。所以输出包含一个直流分量和一个二倍频分量。直流分量的大小是输入信号幅度平方的一半除以 10。比如输入是 1V 峰值的正弦波直流分量就是 1^2/2/10 0.05V。二倍频分量的幅度也是 0.05V。测试时用示波器看输出你会看到一个频率是输入两倍的正弦波但整体向上偏移了 0.05V。这个偏移就是直流分量。如果你用交流耦合看就只能看到二倍频分量。这个直流分量在实际应用中很有用可以做有效值检测或者功率测量。但测试时要清楚它的来源不要以为是芯片出了问题。3.3 除法功能的闭环连接与稳定性除法功能需要把乘法器接成闭环。具体做法是X 输入接分子信号Y 输入接分母信号输出 W 经过一个运放缓冲后反馈到 Z 脚。这样闭环传递函数就变成了 W X/Y。但这个闭环有个稳定性问题。因为反馈环路里包含了乘法器而乘法器的增益是随 Y 输入变化的。当 Y 输入很小时环路增益很大容易振荡。所以实际做除法时要在反馈环路里加补偿电容限制带宽。我在做除法测试时一开始没加补偿电容结果输出直接振荡了频率大概在几百 kHz。后来在反馈电阻上并联了一个 100pF 的电容振荡就消失了。这个电容的值需要根据实际环路增益来调太大响应慢太小还是会振。另外分母信号不能过零否则输出会饱和。测试时我一般把分母设置在 1V 到 10V 之间避免接近零。3.4 调制功能的测试与载波抑制观察调制功能是乘法器的一个典型应用。把载波信号接到 X 输入调制信号接到 Y 输入输出就是调幅波。测试时载波用 100kHz 正弦波幅度 1V调制信号用 1kHz 正弦波幅度 1V。输出应该是一个载波幅度随调制信号变化的调幅波。用示波器看你会看到包络线就是调制信号的形状。如果载波抑制不好输出里会有载波泄漏也就是当调制信号为零时输出不为零。AD633 的载波馈通典型值是 1mV 左右所以如果你看到输出有几十毫伏的泄漏那可能是输入失调引起的需要调零。调零的方法是在 X 或 Y 的输入端加一个小的直流偏置抵消掉内部的失调。AD633 没有专门的调零引脚所以只能通过外部电路来实现。我一般用一个电位器分压产生一个可调的直流电压通过一个电阻加到输入端。4. 调试中常见问题的排查链路4.1 输出始终为零或接近零这是最常见的问题。排查顺序应该是先查供电再查输入最后查输出。供电方面用万用表测 V 和 V- 脚的电压确认在正常范围内。如果供电正常再查输入。输入方面用示波器测 X1、X2、Y1、Y2 脚的波形确认信号确实到了芯片引脚。如果输入正常再查输出。输出方面测 W 脚的电压如果为零可能是芯片坏了也可能是 Z 脚的问题。我遇到过一种情况Z 脚悬空输出一直是零。因为 Z 脚是求和输入悬空时电位不确定可能导致输出级饱和。后来把 Z 脚接地输出就正常了。所以 Z 脚一定要有确定的电位不能悬空。还有一种情况是输入信号的共模电压超出了范围。比如你用单端输入一端接信号一端接地但信号本身带有很大的直流偏置导致共模电压超限。这时候输入级饱和输出就不对了。解决办法是在输入端加隔直电容或者用差分输入方式。4.2 输出波形失真或限幅输出失真通常是因为输入信号太大超过了线性范围。AD633 的线性输入范围是 ±10V如果输入超过这个值输出就会限幅。排查时先用示波器看输入信号的幅度确认没有超过 10V。如果输入没问题再看输出。如果输出波形顶部或底部被削平那就是限幅了。还有一种失真是因为负载太重。AD633 的输出驱动能力有限如果负载电阻小于 2kΩ输出幅度会下降波形也会失真。解决办法是增大负载电阻或者加一个缓冲运放。我在测试时遇到过输出波形上有高频振荡的情况频率大概在几 MHz。后来发现是输出线太长引入了寄生电容和电感。把输出线缩短振荡就消失了。这个经验说明高频测试时布线要尽量短。4.3 直流偏置无法调零直流偏置是 AD633 的一个常见问题。即使输入为零输出也可能有一个几十毫伏的直流电压。这个偏置主要来自输入失调和输出失调。调零的方法有几种一是在输入端加补偿电压二是在 Z 脚加补偿电压三是用外部运放做伺服环路。我一般用第一种方法在 X 或 Y 的输入端加一个可调的直流电压。具体做法是用一个 10kΩ 的电位器两端接 V 和 V-中间抽头通过一个 1MΩ 的电阻接到输入端。调节电位器就可以改变输入端的直流偏置。但要注意这个补偿电压会随着温度变化而漂移。如果对温漂要求高那就需要用伺服环路用运放自动跟踪失调并补偿。4.4 高频段增益下降或相位偏移AD633 的带宽是 1MHz但这是小信号带宽。如果输入信号幅度较大带宽会下降。比如输入 10V 时带宽可能只有几百 kHz。测试时如果发现高频段输出幅度下降先确认输入幅度是否太大。如果输入幅度没问题那就是芯片本身的带宽限制。这时候只能降低输入频率或者换用更高带宽的乘法器。相位偏移也是类似的原因。AD633 在高频段会有相位滞后这是内部电路的寄生电容引起的。如果应用对相位敏感比如做锁相环或者正交解调那就需要考虑这个相位偏移并在系统里做补偿。我在做高频调制测试时发现输出调幅波的包络有畸变后来发现是载波频率太高接近了芯片的带宽极限。把载波频率从 1MHz 降到 500kHz包络就正常了。这个经验说明测试时要留足够的带宽裕量。5. 从实测数据反推芯片工作状态5.1 增益误差的测量与计算增益误差是衡量乘法器精度的重要指标。测量方法是给 X 和 Y 各加一个已知的直流电压测量输出然后和理论值比较。比如 X 5VY 5V理论输出是 2.5V。如果实测输出是 2.48V那增益误差就是 (2.48 - 2.5)/2.5 -0.8%。AD633 的典型增益误差是 1%最大是 2%。所以如果你测出来在 1% 以内那就是正常的。测量时要注意输入电压要用高精度万用表测不能用信号源的显示值。因为信号源的输出精度通常不如万用表。我一般用 6 位半的台式万用表测输入和输出这样测出来的增益误差才可信。5.2 非线性度的评估方法非线性度是指输出和输入不成正比的程度。测量方法是固定 Y 输入改变 X 输入从 -10V 到 10V 取多个点测量输出然后和理论直线比较。我一般取 11 个点从 -10V 到 10V步进 2V。然后计算每个点的偏差取最大值作为非线性度。AD633 的非线性度典型值是 0.4%最大是 1%。如果测出来超过 1%那可能是芯片有问题或者测试方法有问题。测试时要注意输入电压的变化范围不要超过线性范围。如果超过非线性度会急剧恶化。5.3 馈通和泄漏的测量馈通是指当一个输入为零时另一个输入信号泄漏到输出的现象。比如 X 输入为零Y 输入有信号理想情况下输出应该为零。但实际上输出会有很小的信号这就是馈通。测量方法是X 输入接地Y 输入加一个 1kHz、1V 的正弦波测量输出。输出应该很小典型值是 1mV 左右。如果测出来馈通很大比如几十毫伏那可能是输入失调引起的。这时候需要调零把失调调掉馈通就会减小。泄漏是指输出端有电源频率或者其它干扰信号。这个通常是因为电源去耦不好或者接地有问题。解决办法是加强去耦改善接地。5.4 温度漂移的观察与补偿思路温度漂移是模拟电路的固有特性。AD633 的失调电压温漂典型值是 10uV/°C增益温漂是 0.005%/°C。这些参数在数据手册上都有。测试温漂需要恒温箱把芯片放在里面改变温度测量输出的变化。如果没有恒温箱也可以用热风枪或者冷喷剂局部加热或冷却观察输出的短期变化。补偿温漂的方法有几种一是用低温度系数的电阻二是用伺服环路三是用温度传感器加软件补偿。具体用哪种要看应用对精度的要求。我在做精密测量时一般用伺服环路因为这样可以自动跟踪失调不需要手动调。伺服环路的做法是用一个运放把输出和参考电压比较然后反馈到 Z 脚或者输入端自动抵消失调。6. 测试中积累的实操心得与避坑要点6.1 信号源和示波器的配合技巧信号源和示波器的配合很重要。我一般用信号源产生输入信号用示波器同时看输入和输出。示波器要用两个通道一个看输入一个看输出这样可以直接比较相位和幅度。示波器的探头要校准好否则测量误差会很大。我一般用示波器自带的校准信号先校准探头然后再测。如果要做精确测量比如测增益误差那就不能用示波器了要用万用表。示波器的精度通常只有 3% 左右不够用。6.2 电源噪声的抑制经验电源噪声是模拟电路的大敌。AD633 对电源噪声比较敏感所以电源要干净。我一般用线性电源不用开关电源。如果非要用开关电源那就要加多级滤波。滤波电容要用好的比如钽电容或者陶瓷电容不要用电解电容因为电解电容的高频特性不好。另外电源线要尽量短尽量粗。如果电源线和信号线并行那要加大间距或者用地线隔离。6.3 温度对测试结果的影响温度对 AD633 的影响主要体现在失调和增益上。测试时要注意环境温度最好在恒温环境下测。如果环境温度变化大那测试结果会不稳定。我一般在空调房里测温度控制在 25°C 左右。如果要做温漂测试那就需要用恒温箱。另外芯片本身的温升也要注意。如果芯片功耗大温度会升高失调也会变化。所以测试时不要用手摸芯片以免影响温度。6.4 从失败案例中总结的排查顺序最后分享一个失败案例。有一次我测试 AD633输出一直是零。我查了供电正常查了输入正常查了输出还是零。后来发现是 Z 脚悬空。把 Z 脚接地后输出就正常了。这个案例说明排查问题要有顺序先查供电再查输入再查输出最后查外围电路。不要一上来就怀疑芯片坏了很多时候是外围电路的问题。另外要养成记录的习惯。每次测试都记录输入、输出、供电电压、环境温度等参数。这样如果出问题可以回溯快速定位。还有一个经验是不要同时改变多个参数。比如你要调零就只调零不要同时改输入幅度。否则出了问题你不知道是哪个参数引起的。AD633 这颗芯片用熟了之后会发现它很皮实但前提是你把外围电路做对了。偏置、馈通、接地、去耦这些看似基础的东西往往决定了测试的成败。希望这些经验能帮你少踩几个坑。