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)用場合, 如檢測微弱光電流信號的場合, 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)在微弱光檢測的場合是非常關(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)算過程. 另外介紹了在光檢測應(yīng)用下常見問題的解決.

2 TIA 應(yīng)用概論

在TIA 應(yīng)用時(shí), 由于輸入信號是電流, 能夠應(yīng)用于這種場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, 尤其是小信號下的帶寬更寬, Slew rate 更快, 以及更大的GBW. 另外一般來講,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合, 使用decompensated 放大器要比單位增益穩(wěn)定放大器有優(yōu)勢.

3 TIA 應(yīng)用指標(biāo)分析

3.1 帶寬計(jì)算

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

Figure2 TIA 光電檢測電路

或是用于作DAC 的電流轉(zhuǎn)電壓的應(yīng)用場合:

Figure3 TIA 用于DAC 輸出電流檢測電路

對一定的運(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, 這樣就會造成運(yùn)放的不穩(wěn)定,也就是會引起自激. 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

對于decompensated 的運(yùn)放, 由于其最小增益的要求, 還引來另外一個(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 的場合, 以下是幾個(gè)運(yùn)放能達(dá)到的帶寬和增益的對應(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)常遇到的問題:

4.1 振蕩

這個(gè)問題在高增益,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, 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)

在高增益的場合, 有可能反饋電阻自帶的電容以及反饋?zhàn)呔€帶來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試結(jié)果來確定反饋是否要另外加電容.

4.2 overshoot

在光時(shí)域反射檢測光纖狀態(tài)的場合, 輸出上的overshoot 可能會對測量結(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, 這對實(shí)際使用是不利的,需要消除.

消除這種過沖最有效的方法是加大反饋電容, 但是這樣帶來的一個(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).