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一文读懂跨阻放大器的工作原理

gecimao 发表于 2019-05-09 04:33 | 查看: | 回复:

  跨阻放大器(TIA)是光学传感器(如光电二极管)的前端放大器,用于将传感器的输出电流转换为电压。跨阻放大器的概念很简单,即运算放大器(op amp)两端的反馈电阻(RF)使用欧姆定律VOUT= I × RF将电流(I)转换为电压(VOUT)。在这一系列博文中,我将介绍如何补偿TIA,及如何优化其噪声性能。对于TIA带宽、稳定性和噪声等关键参数的定量分析,请参见标题为“用于高速放大器的跨阻抗注意事项”的应用注释。

  在实际电路中,寄生电容会与反馈电阻交互,在放大器的回路增益响应中形成不必要的极点和零点。寄生输入和反馈电容的最常见来源包括光电二极管电容(CD)、运算放大器的共模(CCM)和差分输入电容(CDIFF),以及电路板的电容(CPCB)。反馈电阻RF并不理想,并且具有可能高达0.2pF的寄生并联电容。在高速TIA应用中,这些寄生电容相互交互,也与RF交互生成一个不理想的响应。在本篇博文中,我将阐述如何来补偿TIA。

  运算放大器的增益带宽积(GBP):增益带宽越高,产生的闭环跨阻带宽就越高。

  这三个因素相互关联:对特定的运算放大器来说,定位增益将设置最大带宽;反之,定位带宽将设置最大增益。

  这一分析的第一步假定在AOL响应和表1所示的规格中有一个单极的运算放大器。

  放大器的闭环稳定性与其相位裕度M有关,相位裕度由定义为AOL× 的环路增益响应来确定,其中是噪声增益的倒数。图2和图3中分别显示了用来确定运算放大器AOL和噪声增益的TINA-TI电路。图2配置了一个开环配置的在试设备(DUT),以导出其AOL。图3使用了一个具有理想RF、CF和CTOT的理想运算放大器来得出噪声增益-1/。图3目前不包括寄生元件CF和CTOT。

  图4所示为环路增益AOL和1/的模拟幅度和相位。由于1/为纯阻抗式,其响应在频率中较为平坦。由于该放大器是一个如图3所示的单位增益配置,环路增益是AOL(dB) + (dB) = AOL(dB)。因此,AOL和环路增益曲线所示彼此交叠。由于这是一个单极系统,因AOL极的存在,fd条件下的总相移为90。最终M为180-90= 90,并且TIA是绝对稳定的。

  让我们来分析一下放大器输入电容对回路增益响应的影响。假设总有效输入电容CTOT为10pF。 CTOT和RF组合将在fz= 1/(2RFCTOT) = 100kHz的频率条件下在1/曲线显示了电路和产生的频率响应。AOL和1/曲线MHz条件下相交 fz(100kHz)和GBP(1GHz)的几何平均值。1/曲线中的零点变成曲线中的极点。所得的环路增益将具有如图6所示的两极响应。

  零点使得1/的幅度以20dB/decade的速度增大,并在40dB/decade接近率(ROC)条件下与AOL曲线相交,从而形成了潜在的不稳定性。频率为1kHz时,占主导地位的AOL极点在回路增益中出现90的相移。频率为100kHz时,零频率fz又发生一次90的相移。最终影响为1MHz。由于回路增益交叉只在10MHz条件下发生,fd和 fz的总相移将为180,从而得出M= 0,并指示TIA电路是不稳定的。

  为恢复因fz造成的失相,通过增加与RF并联的电容CF,将极点fp1插入1/响应。fp1处于1/(2RFCF)。为了得到最大平坦度的闭环巴特沃斯响应(M= 64),使用等式1计算CF:

  计算得出CF= 0.14pF,f-3dB = 10MHz。fz处于7MHz的位置。反馈电容器包括来自印刷电路板和RF的寄生电容。为了最大限度地减少CPCB,移除放大器的反相输入和输出引脚之间的反馈跟踪下方的接地和电源层。使用诸如0201和0402的小型电阻器,降低由反馈元件产生的寄生电容。图7和图8显示了电路和产生的频率响应。

  在前两种影响下,回路增益幅度的斜率从-40ddB/dec降至-20dB/dec

  从700kHz开始,相位以45/dec的速率增大,并开始恢复。其影响将一直持续增大到700MHz。

  设计TIA时,客户必须了解光电二极管的电容,因为该电容通常由应用确定。考虑到光电二极管的电容,下一步是选择适合应用的正确放大器。

  选择适合的放大器需要理解放大器的GBP、期望的跨阻增益和闭环带宽,以及输入电容和反馈电容之间的关系。

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