低噪声放大器AD8099应用经验总结

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至+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5V至12V，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：

仿真结果如下图：

从图上可知，结果很好，并没有出现任何异常。

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200K和9.1K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未到，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：

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：

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：


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：

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：

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：

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：


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。


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！（注：文中频谱图中的时间有误，皆应该把时间提前一个月。）