跨阻型放大器應(yīng)用指南

1 引言

TIA 全稱為trans-impedance amplifier。 也就是跨阻型放大器。在需要電流轉(zhuǎn)電壓的應(yīng)用場(chǎng)合， 如檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的場(chǎng)合， 通常需要用到跨阻型放大器。 TI有一系列的跨阻放大器，如OPA656，OPA657，OPA843，OPA84，LMH6629 等等。 TI 該產(chǎn)品系列主要的優(yōu)勢(shì)在于低噪聲， 能支持反饋高增益下寬帶應(yīng)用。 這些特點(diǎn)在微弱光檢測(cè)的場(chǎng)合是非常關(guān)鍵的。 另外TI 的產(chǎn)品是一系列的， 在不同的指標(biāo)要求如帶寬升級(jí)時(shí)可以很方便地找到pin-pin 兼容的產(chǎn)品。

本文介紹了高速TIA 應(yīng)用中關(guān)注的指標(biāo)及計(jì)算過(guò)程。 另外介紹了在光檢測(cè)應(yīng)用下常見問(wèn)題的解決。

2 TIA 應(yīng)用概論

在TIA 應(yīng)用時(shí)， 由于輸入信號(hào)是電流， 能夠應(yīng)用于這種場(chǎng)合的跨阻放大通常需要具備較低的電流噪聲和電壓噪聲。 比較典型的兩個(gè)器件是:OPA657(1.6GHz，輸入電流噪聲1.8 fA/rtHz， 輸入電壓噪聲4.8nV/rtHz)， OPA847(3.9GHz， 輸入電流噪聲2.5pA/rtHz， 輸入電壓噪聲0.85nV/rtHz)。 這兩款都是Decompensated 放大器。

Decompensated 放大器特點(diǎn)如下:

Decompensated 放大器指的是非單位增益穩(wěn)定的放大器， 如OPA657 最小穩(wěn)定增益是7V/V，OPA847 則為12V/V。

其波特圖和普通放大器比較如下:

和單位穩(wěn)定放大器相比， 其特點(diǎn)如下:

帶寬更寬， 尤其是小信號(hào)下的帶寬更寬， Slew rate 更快， 以及更大的GBW。 另外一般來(lái)講，decompensated 的放大器能夠提供更好的電壓噪聲。

所以在大增益的跨阻放大且要求一定帶寬的場(chǎng)合， 使用decompensated 放大器要比單位增益穩(wěn)定放大器有優(yōu)勢(shì)。

3 TIA 應(yīng)用指標(biāo)分析

3.1 帶寬計(jì)算

一個(gè)用于光電流檢測(cè)的常規(guī)的跨阻型運(yùn)放的工作電路一般簡(jiǎn)化如下:

Figure2 TIA 光電檢測(cè)電路

或是用于作DAC 的電流轉(zhuǎn)電壓的應(yīng)用場(chǎng)合:

Figure3 TIA 用于DAC 輸出電流檢測(cè)電路

對(duì)一定的運(yùn)放， 其GBP 是固定的， Cdiff(芯片輸入的寄生差分容值)， Ccm(芯片輸入的寄生共模容值)也是固定的， 選定前面的光檢測(cè)管APD 或PIN 后，其寄生容值CD 也就是固定了， 當(dāng)放大倍數(shù)RF 固定的時(shí)候， 其能達(dá)到的-3dB 閉環(huán)帶寬大約為:

公式1

但是由于前端的寄生電容Cs 和Rf 會(huì)在噪聲增益曲線上形成一個(gè)零點(diǎn)，導(dǎo)致運(yùn)放的開環(huán)增益曲線和噪聲增益曲線相交處的逼近速度為-40dB/dec， 這樣就會(huì)造成運(yùn)放的不穩(wěn)定，也就是會(huì)引起自激。 其波特圖如下:

Figure4 未補(bǔ)償時(shí)的波特圖

所以要達(dá)到這樣一個(gè)穩(wěn)定工作有一個(gè)前提， 需要采用CF 來(lái)作補(bǔ)償， 在該曲線中引入一個(gè)極點(diǎn)。 補(bǔ)償后的曲線如下:

Figure5 補(bǔ)償后的波特圖

所以需要讓運(yùn)放穩(wěn)定工作， 且達(dá)到最寬的2 階butterworth 頻響， 其CF 的取值如下:

公式2

對(duì)于decompensated 的運(yùn)放， 由于其最小增益的要求， 還引來(lái)另外一個(gè)要求， 就是其增益要大于其最小穩(wěn)定增益， 由于在高頻下， 其增益表達(dá)式如下:

所以對(duì)特定的decompensated 的運(yùn)放， 這個(gè)值要大于其最小增益要求。

公式3

在一個(gè)假定前端的寄生容性為10pF 的場(chǎng)合， 以下是幾個(gè)運(yùn)放能達(dá)到的帶寬和增益的對(duì)應(yīng)關(guān)系:

Figure6 常用TIA 增益與帶寬關(guān)系

3.2 噪聲計(jì)算

在由以上公式算出的帶寬后， 運(yùn)放本身帶來(lái)的噪聲貢獻(xiàn)可以由如下公式算出:

公式4

其中:

IEQ = 等效的輸入噪聲電流， 這個(gè)值在帶寬 F < 1/(2πRFCF)內(nèi)有效。

IN = 運(yùn)放本身輸入的電流噪聲，算inverting的輸入。

EN = 運(yùn)放輸入的電壓噪聲。

CD = 前面的光電二極管的寄生電容。

F = 帶寬，單位為Hz。

4kT = 1.6E – 21J at T = 290°K

根據(jù)這個(gè)公式計(jì)算出等效的輸入噪聲電流后， 就可以算出在TIA 輸出后SNR 了。

4 實(shí)際應(yīng)用中的常見問(wèn)題

這里整理幾個(gè)TIA 運(yùn)放在實(shí)際使用中經(jīng)常遇到的問(wèn)題:

4.1 振蕩

這個(gè)問(wèn)題在高增益，又有寬帶要求的情況下比較常見。

比如設(shè)計(jì)一個(gè)20K 增益的放大鏈路， 假設(shè)總的輸入的寄生電容很大， 10pF。 根據(jù)上面的圖可以看出，采用GBW 最寬的OPA847 進(jìn)行設(shè)計(jì)， 最寬穩(wěn)定帶寬只能在50M 附近。

設(shè)計(jì)電路如下:

Figure7 未加補(bǔ)償?shù)?0k 放大電路

輸入20n 的脈寬信號(hào)， 10u 的幅度， 得到的波形如下:

Figure8 原始輸出響應(yīng)

輸出有振蕩產(chǎn)生。

根據(jù)公式算出CF 的取值應(yīng)該為0.24p。 加上后，電路如下:

Figure9 加補(bǔ)償后的電路

仿真得到: 可以看到， 振蕩消失，只剩過(guò)沖。 放大倍數(shù)也趨向正常。

Figure10 加補(bǔ)償后的脈沖響應(yīng)

在高增益的場(chǎng)合， 有可能反饋電阻自帶的電容以及反饋?zhàn)呔€帶來(lái)的寄生電容都可以達(dá)到這么微小的電容值。 所以需要依具體的測(cè)試結(jié)果來(lái)確定反饋是否要另外加電容。

4.2 overshoot

在光時(shí)域反射檢測(cè)光纖狀態(tài)的場(chǎng)合， 輸出上的overshoot 可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響，這就需要盡可能地減小TIA 輸出的overshoot。 如上圖所示的結(jié)果， 約有10%的overshoot， 這對(duì)實(shí)際使用是不利的，需要消除。

消除這種過(guò)沖最有效的方法是加大反饋電容， 但是這樣帶來(lái)的一個(gè)直接后果是帶寬減小。

如上面的案例， 在輸出有overshoot 的情況下， 原始頻響為: -3dB 帶寬有40M 左右。

Figure11 原始補(bǔ)償?shù)念l響

增大反饋到0.45p 時(shí)， 過(guò)沖消失。

Figure12 增大補(bǔ)償?shù)碾娐?/p>

Figure13 增大補(bǔ)償后的脈沖響應(yīng)

但是也可以看到， 20nS 的脈沖情況下， 其輸出有點(diǎn)被濾除， 增益減小了。

原因就在于輸出的帶寬變窄， 只剩21M

Figure14 增大補(bǔ)償后的頻響

5 總結(jié)

TIA 運(yùn)放在作電流放大使用時(shí)需要注意帶寬和增益的折中， 以及平衡性和帶寬的折中。 而同時(shí)又得兼顧噪聲的貢獻(xiàn)， 所以需要綜合考慮以上的各項(xiàng)指標(biāo)。

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