如何使用全差分放大器構(gòu)建 TIA 電路

跨阻抗放大器(TIA) 最常使用運(yùn)算放大器(op amps) 構(gòu)建。而且，越來越多的(如果不是全部的話)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 是全差分系統(tǒng)，需要具有單端差分機(jī)制。TIA由于具有高帶寬的優(yōu)點(diǎn)，一般用于高速電路，如光電傳輸通訊系統(tǒng)中普遍使用。例如PIN-TIA，PIN-TIA光接收器是用于光通信系統(tǒng)中將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并將信號(hào)進(jìn)行一定強(qiáng)度低噪聲放大的探測(cè)器件，其工作原理是：PIN的光敏面受探測(cè)光照射時(shí)，由于p-n結(jié)處于反向偏置，光生載流子在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生漂移，在外電路產(chǎn)生光電流;光電流通過跨阻放大器放大輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)而將電信號(hào)初步放大的功能。在實(shí)際應(yīng)用中，我們會(huì)根據(jù)TIA的要求，采用-5.2 V、3.3 V或其它的供電形式，用不同的外圍電路形式來完成封裝。

我們知道在DWDM系統(tǒng)中，OSNR是衡量整個(gè)系統(tǒng)傳輸性能的重要指標(biāo)之一，也就是信號(hào)和噪聲的比值，如何將信噪比提高到一個(gè)理想的傳輸性能值，從上面的描述就可得知引入了TIA，它能將電信號(hào)進(jìn)行一定強(qiáng)度的低噪放大。信號(hào)在經(jīng)過光纖傳輸后，光功率和色散必然在一定程度上有所衰減，光放大器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來進(jìn)行放大處理時(shí)，TIA就能有效地抑制噪聲信號(hào)的放大，分母變小，分子變大，這樣就不難理解TIA是如何提高光信號(hào)與噪聲的比值(OSNR)了。所以通俗地說，它是在同等條件下，使負(fù)面因素較低從而使正面因素較高地顯現(xiàn)的一種技術(shù)手段而用到的器件。

對(duì)于需要直流耦合的應(yīng)用，這主要是通過使用全差分放大器(FDA) 來實(shí)現(xiàn)的。

有沒有辦法使用 FDA 進(jìn)行 I-to-V 轉(zhuǎn)換，以及直接與 ADC 接口?簡(jiǎn)而言之，答案是肯定的，在這里我們將回顧實(shí)施和限制。

在進(jìn)一步開發(fā)之前，我需要警告您使用 FDA 作為 TIA 的增益限制。雙極輸入級(jí)的輸入偏置電流實(shí)際上會(huì)限制跨阻級(jí)可實(shí)現(xiàn)的最大增益。您可以預(yù)期輸入偏置電流為幾微安。在運(yùn)算放大器中，如果輸入偏置電流和反饋電阻都很大，則會(huì)在輸出上產(chǎn)生偏移。在 FDA 中，輸入偏置電流會(huì)產(chǎn)生共模偏移。這不是一個(gè)問題，因?yàn)檩敵鲭妷簲[幅是具有 FDA 輸出級(jí)的運(yùn)算放大器的兩倍，但需要對(duì)其進(jìn)行檢查以獲得更高的跨阻增益。

讓我們從OPA843開始，它是一款具有出色噪聲和增益帶寬的雙極放大器，增益設(shè)置為 20kW，光電二極管使用 1.5pF 輸入電容。在這些條件下，OPA843 可以實(shí)現(xiàn)約 57MHz 的平坦頻率響應(yīng)。見下圖 1。

 

圖 1：OPA843 TIA 配置

我們將監(jiān)控的感興趣的性能是：

1- 小信號(hào)頻率響應(yīng)及其相關(guān)的平坦度，以確保脈沖響應(yīng)中沒有振鈴以及表現(xiàn)良好的相位變化。

2- 輸出上的綜合噪聲。

3- 解決方案的功耗。

圖 2 和圖 3 顯示了此處監(jiān)控的 OPA843 性能。

 

圖 2：OPA843 頻率響應(yīng)

 

圖 3：OPA843 集成輸出噪聲

在 ±5V 電源下運(yùn)行時(shí)，OPA843 的功耗約為 200mW。

查看 +5V 電源 FDA (70mW) THS4520 上的 14mA，我們可以通過在反饋路徑中使用 10kΩ 電阻器來實(shí)現(xiàn)相同的 20kΩ 跨阻抗增益。要使該增益為 20kΩ，需要存在 C4。請(qǐng)注意，對(duì)于低于 R2 和 C4 形成的極點(diǎn)的頻率(此處為 16Hz)，增益降低了 6dB。

 

圖 4：THS4520 TIA 配置

盡管帶寬有所增加，但THS4520實(shí)現(xiàn)了約 74MHz 的帶寬，但集成噪聲遠(yuǎn)低于 OPA843。這種降低的噪聲部分是由于 THS4520 的電流噪聲密度較低(相同的電壓噪聲密度)，但也由于用于實(shí)現(xiàn)相同增益的較低反饋電阻器和較高的補(bǔ)償反饋電容器導(dǎo)致較低的噪聲增益。降噪的兩個(gè)主要術(shù)語是較低的噪聲增益與頻率和較低的反饋電阻及其相關(guān)的熱噪聲。結(jié)果繪制在圖 5 和圖 6 中。

 

圖 5：THS4520 頻率響應(yīng)

 

圖 6：THS4520 集成輸出噪聲

三個(gè)關(guān)鍵因素決定TIA的帶寬：

1 總輸入電容(CTOT)。

2 由RF設(shè)置理想的跨阻增益。

3 運(yùn)算放大器的增益帶寬積(GBP)：增益帶寬越高，產(chǎn)生的閉環(huán)跨阻帶寬就越高。

這三個(gè)因素相互關(guān)聯(lián)：對(duì)特定的運(yùn)算放大器來說，定位增益將設(shè)置最大帶寬;反之，定位帶寬將設(shè)置最大增益。

設(shè)計(jì)TIA時(shí)，必須了解光電二極管的電容，因?yàn)樵撾娙萃ǔＳ蓱?yīng)用確定?？紤]到光電二極管的電容，下一步是選擇適合應(yīng)用的放大器。

選擇適合的放大器需要理解放大器的GBP、期望的跨阻增益和閉環(huán)帶寬，以及輸入電容和反饋電容之間的關(guān)系。