线性 - 模拟乘法器/除法器检测

线性模拟乘法器/除法器检测指南

在模拟信号处理领域，线性模拟乘法器/除法器扮演着核心角色，实现两路信号的精确相乘或相除运算。这些器件广泛应用于通信调制解调、功率测量、自动增益控制、频率转换等关键电路。为确保其性能符合设计预期，对其进行全面、准确的检测至关重要。以下是对线性模拟乘法器/除法器进行检测的系统性方法：

一、 核心原理概述

• 乘法器 (Vout = K * Vx * Vy)： 输出信号 (Vout) 与两个输入信号 (Vx, Vy) 的瞬时乘积成正比，K 为标度因子（通常单位为 1/V）。
• 除法器 (Vout = K * Vz / Vx)： 输出信号 (Vout) 与分子输入信号 (Vz) 成正比，与分母输入信号 (Vx) 成反比，K 为标度因子（通常单位为 V）。除法器功能常通过将乘法器置于运算放大器的反馈回路中实现。
• 传递特性： 理想情况下，输出应是输入的线性函数（对于乘法器，是在固定一个输入时观察输出与另一输入的关系；对于除法器亦然）。实际器件存在非线性、失调、增益误差和带宽限制。

二、 关键检测项目与方法

检测核心目标是量化器件性能与理想模型的偏差。

1. 静态特性检测（直流与低频）

   • 输入失调电压 (Vosx, Vosy, Vosz)：
     • 方法： 将所有输入端接地（或连接到共模电压），测量输出端电压 (Vout_actual)。
     • 计算： Vos = Vout_actual / (相关增益)。例如，对乘法器 Vosx = Vout_actual / (K * Vy_set) (当 Vy 固定为一个非零值时)。
   • 输出失调电压 (Voso)：
     • 方法： 所有输入接地（或共模电压），直接测量 Vout。通常 Voso 是乘法器/除法器固有的输出误差项。
   • 标度因子 (K) 精度与线性度：
     • 乘法器：
       • 固定输入 Vy 为一个精确的直流电压 Vy_set。
       • 在输入 Vx 的规定范围内，以一定步长扫描 Vx。
       • 测量对应的 Vout。
       • 计算与评估：
         • K_measured = Vout / (Vx * Vy_set)
         • 计算 K_measured 与标称 K 的偏差（增益误差）。
         • 绘制 Vout vs Vx 曲线（在固定 Vy 下），评估其线性度（非线性误差）。也可绘制 Vout/(Vx * Vy_set) vs Vx 曲线观察 K 的变化。
     • 除法器：
       • 固定分母输入 Vx 为一个精确的直流电压 Vx_set (确保 Vx_set 远离零点，极性正确)。
       • 在分子输入 Vz 的规定范围内，以一定步长扫描 Vz。
       • 测量对应的 Vout。
       • 计算与评估：
         • K_measured = Vout * Vx_set / Vz
         • 计算 K_measured 与标称 K 的偏差。
         • 绘制 Vout vs Vz 曲线（在固定 Vx 下），评估线性度。绘制 (Vout * Vx_set)/Vz vs Vz 曲线观察 K 的变化。
   • 馈通 / 串扰 (Feedthrough)：
     • 方法： 将一个输入端接地（或固定直流电平），在另一个输入端施加一个固定幅度（在器件工作范围内）、指定频率（通常较低，如 1kHz）的交流信号 (Vac)。
     • 测量： 测量输出端的交流信号幅度 (Vfeed)。
     • 计算： 馈通抑制比 = 20 * log10(|Vfeed / Vac|) (单位为 dB)。该值应尽可能小（负得越多越好）。需分别测试 Vx 馈通和 Vy/Vz 馈通。
   • 象限工作与极性：
     • 乘法器： 验证器件在所有四个输入电压象限 (Vx+, Vy+; Vx+, Vy-; Vx-, Vy+; Vx-, Vy-) 下是否均能正常工作，输出极性是否符合预期 (Vout = K * Vx * Vy)。检查是否存在特殊的输入电压限制（如某些设计限制 Vx 或 Vy 必须为正）。
     • 除法器： 验证分母输入 Vx 的极性（通常要求为正或为负，取决于设计）和范围（远离零点），以及分子输入 Vz 在正负范围内变化时，输出极性是否符合 Vout = K * Vz / Vx。特别关注当 Vx 很小（接近于零）或极性错误时的行为（可能饱和或保护）。
   • 电源抑制比 (PSRR)：
     • 方法： 在标称输入条件下（如 Vx=0, Vy=0 或施加固定信号），在电源电压上叠加一个小的交流扰动 ΔVps (如 100mV p-p, 100Hz/120Hz)，测量输出端的交流扰动幅度 ΔVout_ps。
     • 计算： PSRR = 20 * log10(|ΔVout_ps / ΔVps|) (dB)。该值应尽可能小（负得越多越好）。需分别测试正电源和负电源的 PSRR。

2. 动态特性检测（交流与瞬态）

   • 小信号带宽 (-3dB Bandwidth)：
     • 方法 (乘法器为例)：
       • 固定一个输入 (Vy) 为直流偏置电压（通常在其范围中间值）。
       • 在另一个输入 (Vx) 施加小幅值（确保器件线性工作）的正弦扫频信号 (Vx_ac)。
       • 测量输出信号 (Vout_ac) 的幅度随频率的变化。
     • 测量： 当 Vout_ac 幅度下降到低频幅度 (Vout_ac_lf) 的 0.707 (即 -3dB) 时对应的频率即为小信号带宽。除法器测试方法类似，固定 Vx (分母)，在 Vz (分子) 或 Vout 施加信号（除法器带宽通常定义为 Vz 变化时的输出带宽）。
   • 全功率带宽 (FPBW)：
     • 方法： 在输入端施加大幅值正弦信号（达到器件额定最大输出摆幅），逐步提高频率。
     • 测量： 观测输出波形不失真（THD 不超过规定值，如 1%）时的最高频率。
   • 压摆率 (Slew Rate, SR)：
     • 方法：
       • 将乘法器配置为放大器（如 Vy 固定为常数增益设置）。
       • 在 Vx 输入端施加一个大幅值的阶跃信号（方波）。
     • 测量： 使用示波器测量输出电压从 10% 上升到 90% (或 10% 下降到 90%) 所需的过渡时间 (Δt)，压摆率 SR = ΔV_out / Δt (单位 V/μs)。除法器测试通常固定 Vx，在 Vz 施加阶跃信号。
   • 建立时间 (Settling Time)：
     • 方法： 与压摆率测试类似，施加阶跃输入。
     • 测量： 测量输出电压达到并稳定在其最终值附近某个指定误差带（如 0.1% 或 0.01%）范围内所需的时间。
   • 总谐波失真 + 噪声 (THD+N)：
     • 方法：
       • 固定一个输入 (Vy) 为直流偏置。
       • 在另一个输入 (Vx) 施加纯净的、规定幅度的单频正弦信号 (f0, 通常在带宽内中间频率)。
     • 测量： 使用频谱分析仪或失真分析仪测量输出信号在基频 (f0) 处的功率 (P_fundamental) 与所有谐波 (2f0, 3f0, ...) 和噪声（在指定带宽内）的总功率 (P_dist_noise) 之比。
     • 计算： THD+N = 10 * log10(P_dist_noise / P_fundamental) (通常用%表示时，= sqrt(P_dist_noise / P_fundamental) * 100%)。除法器测试类似。

3. 误差源分析

   • 非线性误差： 输出与理想乘法/除法关系的偏差，是 Vx, Vy/Vz 的函数。是静态测试的核心关注点。
   • 失调误差： 输入或输出端的零点偏移 (Vos)。
   • 增益误差： 标度因子 K 偏离其标称值的固定比例偏差。
   • 温度漂移： 失调电压、标度因子 K 随温度的变化率 (µV/°C, %/°C)。
   • 噪声： 输入端等效噪声电压密度 (nV/√Hz)，输出噪声。
   • 动态误差： 由带宽限制、压摆率限制引起的信号延迟和失真。

三、 检测设备要求

• 高精度直流电压源： 至少提供两路（乘法器）或三路（除法器）独立的、低噪声、低漂移的直流电压，用于设置输入偏置和交流信号的偏移。分辨率优于待测误差一个数量级。
• 低失真信号发生器： 能产生纯净正弦波、方波、三角波，频率范围覆盖被测器件带宽预期范围，输出幅度精确可控，失真度低（例如 THD < -80dBc）。
• 高精度数字万用表 (DMM)： 高分辨率（推荐 6½ 位或以上）、高精度、低温度系数的数字多用表，用于测量直流电压（失调、增益）、电阻等。
• 高性能示波器： 带宽至少为被测器件预期带宽的 3-5 倍（推荐 >200MHz），用于观测瞬态响应（压摆率、建立时间）、波形和进行基本交流测量。高分辨率模式有助于提高直流测量精度。
• 频谱分析仪 / 失真分析仪： 用于精确测量 THD+N、馈通、频谱纯度。频率范围需足够。
• 稳定低噪声直流电源： 为被测器件提供精确、低纹波、低噪声的供电电压 (±5V, ±15V等)。
• 屏蔽良好的测试夹具： 使用同轴电缆连接，良好接地，最大限度减少电磁干扰（EMI）和串扰。考虑使用屏蔽盒。

四、 测试连接注意事项

1. 仔细阅读器件规格书： 严格按照推荐电路（电源旁路电容、输入/输出电阻配置、保护电路等）搭建测试环境。
2. 电源旁路： 在靠近器件电源引脚处安装高质量、低ESR的陶瓷电容（如0.1µF）和钽电容（如10µF），有效抑制电源噪声。
3. 接地： 采用星型接地或单点接地策略，避免地环路引入噪声。确保所有仪器和被测件共地良好。
4. 阻抗匹配与负载： 信号源输出阻抗应远低于器件输入阻抗。器件输出应连接到其设计负载（通常是高阻输入仪器或规定的负载电阻）。
5. 屏蔽与隔离： 尽可能使用屏蔽电缆，避免测试导线靠近强干扰源（变压器、开关电源）。在高精度测量时考虑使用屏蔽盒。
6. 探头选择： 使用高带宽、低电容（如 10x 或 1x）探头进行高频测量，并校准探头补偿。注意探头地线环路引入的干扰。

五、 典型应用场景中的考量

• 调制/解调： 关注带宽、线性度、载波馈通抑制。
• 功率计算 (V*I)： 对两个通道 (V, I) 的失调误差、增益匹配精度要求极高。
• 自动增益控制 (AGC)： 除法器的精度、带宽、控制范围 (Vx 范围) 是关键。
• 压控放大器 (VCA) / 压控滤波器 (VCF)： 乘法器的线性度、失真、增益控制范围 (Vy 范围) 是重点。
• 频率转换（混频）： 关注高频特性（带宽、动态范围、端口隔离度、交调失真）。

六、 实用测试技巧与陷阱规避

• 预热： 精密测量前，给测试设备和被测器件充分预热（15-30分钟），使其达到热稳定状态。
• 环境温度监控： 温度漂移是重要误差源。记录测试时的环境温度，或在恒温箱中进行高精度测试。
• 多次测量取平均： 对直流参数（失调、增益），进行多次测量取平均值，可有效降低读数噪声影响。
• 避免超限： 明确输入电压范围、共模电压范围和输出摆幅限制。输入信号（特别是除法器的 Vx）避免接近零或超出范围，以防器件饱和或损坏。
• 除法器分母保护： 测试除法器时，务必确保 Vx 不会意外为零或反相。可在电路中加入箝位二极管或缓冲器进行保护。
• 区分误差源： 测试结果不理想时，分析是器件本身的问题，还是测试设备精度不足、接地不良、屏蔽不佳或连接错误导致的。更换器件对比测试是有效手段。

结论：

对线性模拟乘法器/除法器的检测是一个涉及直流精度、交流特性和动态性能的系统性工程。通过严谨的静态测试（失调、增益、线性度、馈通）和动态测试（带宽、压摆、失真），结合对误差源的深入理解，并使用恰当的测试设备和精心设计的测试环境，工程师能够全面评估这些关键模拟器件的真实性能，确保其在目标应用中的可靠性和精度满足设计需求。严格遵守器件手册、注重测试细节（接地、屏蔽、旁路）是获得可信测量结果的关键。