跨阻放大器须知——第1部分

由 editor Chen 提交于周三, 6 七月 2016 - 10:02

作者：Samir Cherian

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。关于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“<a href="http://www.ti.com/lit/an/sboa122/sboa122.pdf">用于高速放大器的跨阻抗注意事项</a>”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，并且可能具有高达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，同时也会与RF交互生成一个并不理想的响应。在本篇博文中，我将阐述如何来补偿TIA。

图1显示了具有寄生输入和反馈电容源的完整TIA电路。
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001908-5458-tu1.j…; alt=“图1：含寄生电容的TIA电路” ></center>
<center>图1：含寄生电容的TIA电路</center>

三个关键因素决定TIA的带宽：
 总输入电容（CTOT）。
 由RF设置的理想的跨阻增益。
 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。

无寄生单极放大器
此分析的第一步是假定在AOL响应和表1所示的规格中有一个单极的运算放大器。

<table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0">
<tr>
<td width="302" valign="top">DC、AOL(DC)时运算放大器的开环增益 </td>
<td width="259" valign="top">120dB</td>
</tr>
<tr>
<td width="302" valign="top">运算放大器GBP</td>
<td width="259" valign="top">1GHz</td>
</tr>
<tr>
<td width="302" valign="top">反馈电阻RF</td>
<td width="259" valign="top">159.15kW </td>
</tr>
</table>

<center>表1：TIA规格</center>

放大器的闭环稳定性与其相位裕度ΦM有关，而相位裕度是由定义为AOL× β的环路增益响应来确定，其中β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<a href="http://www.ti.com.cn/tool/cn/TINA-TI" target="_blank" title="Link to Tool Folder">TINA-TI</a>™电路。图2安装了一个开环配置的在试设备（DUT），以导出其AOL。图3使用了一个具有所需RF、CF和CTOT的理想运算放大器来提取噪声增益-1/β。图3目前不包括寄生元件CF和CTOT。
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001908-5459-tu2.j…; alt=“图2：用来确定AOL的DUT配置” width="600"></center>
<center>图2：用来确定AOL的DUT配置</center>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001908-5460-tu3.j…; alt=“图3：用来确定噪声增益(1/β)的理想放大器配置” width="600"></center>
<center>图3：用来确定噪声增益(1/β)的理想放大器配置</center>

图4所示为模拟幅度和环路增益的相位，分别为AOL和1/β。由于1/β为纯阻抗式，其响应频率较为平坦。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) + β(dB) = AOL(dB)。因此，如图4所示，AOL和环路增益曲线呈彼此交叠的形态。又因为这是一个单极系统， fd条件下AOL级导致的总相移为90°。最终ΦM为180°-90°= 90°，并且TIA是绝对稳定的。
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001908-5461-tu4.j…; alt=“图4：模拟回路增益，理想状态下的AOL和1/β” width="600"></center>
<center>图4：模拟回路增益，理想状态下的AOL和1/β</center>

输入电容的影响（CTOT）
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/(2πRFCTOT) = 100kHz的频率条件下在1/β曲线上创建一个零点。图5和图6显示了电路和产生的频率响应。AOL和1/β曲线在10MHz条件下相交 — fz（100kHz）和GBP（1GHz）的几何平均值。1/β曲线中的零点变成β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/β的幅度以20dB/decade的速度增长，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。占主导地位的AOL极点在频率为1kHz的情况下，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°，从而得到ΦM= 0°，并显示TIA电路是不稳定的。
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001908-5462-tu5.j…; alt=“图5：含10pF输入电容的模拟电路” width="600"></center>
<center>图5：含10pF输入电容的模拟电路</center>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001908-5463-tu6.j…; alt=“图6：含输入电容影响时的模拟回路增益AOL和（1/β）” width="600"></center>
<center>图6：含输入电容影响时的模拟回路增益AOL和（1/β）</center>

反馈电容的影响（CF）
通过增加与RF并联的电容CF，将fz 添加到1/β响应，以恢复fz造成的失相。 fp1位于1/（2πRFCF）。为了得到最大平坦度的闭环巴特沃斯响应（ΦM= 64°），使用等式1计算CF：
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001908-5456-gongs…; alt=“公式1” width="600"></center>

计算得出，CF=0.14pF及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。为了最大限度地减小CPCB移除放大器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的小形状系数的电阻器可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。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001908-5464-tu7.j…; alt=“图7：包括14pF反馈电容的模拟电路” width="600"></center>
<center>图7：包括14pF反馈电容的模拟电路</center>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001908-5465-tu8.j…; alt=“图8：包括输入和反馈电容影响时的模拟环路增益AOL和1/β” width="600"></center>
<center>图8：包括输入和反馈电容影响时的模拟环路增益AOL和1/β</center>

表2使用波特曲线理论汇总了回路增益响应中的拐点。

<table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0">
<tr>
<td width="104">原因 </td>
<td width="208">幅度影响 </td>
<td width="240">相位影响 </td>
</tr>
<tr>
<td width="104">AOL主极点，fd = 1kHz</td>
<td width="208">从1kHz开始，幅度以-20dB/dec的速率下降 </td>
<td width="240">频率为100Hz-10kHz时，相位从180°开始以-45°/dec的速率下降 </td>
</tr>
<tr>
<td width="104">fz 上的 1/β零点= 100kHz </td>
<td width="208">在fd的影响下，从100kHz开始，幅度以-40dB/dec的速率下降 </td>
<td width="240">频率为10kHz-1MHz时，相位从90°开始以-45°/dec的速率下降 </td>
</tr>
<tr>
<td width="104">fp1 上的1/β极点= 7MHz时 </td>
<td width="208">在前两种因素影响下，回路增益幅度的斜率从-40ddB/dec降至-20dB/dec</td>
<td width="240">从700kHz开始，相位以45°/dec的速率增大，并开始恢复<img width="19" height="14" src="file:///C|/Users/acer/AppData/Roaming/Adobe/Dreamweaver CS6/zh_CN/OfficeImageTemp/clip_image002_0000.jpg" />。其影响将一直持续增大到700MHz。 </td>
</tr>
</table>

<center>表2：极点和零点对回路增益幅度和相位的影响</center>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-07/wen_zhang_/100001908-5457-gongs…; alt=“公式2” width="600"></center>
设计TIA时，您必须了解光电二极管的电容，因为该电容通常由应用确定。确定光电二极管的电容之后，下一步便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。您可在<a href="https://e2e.ti.com/support/amplifiers/high_speed_amplifiers/f/10/t/5086…。若您正在设计TIA，一定要查看此计算器，从而为您省去人工计算及节约大量时间。

其他信息
<li>下载题为“<a href="http://www.ti.com/lit/an/sboa122/sboa122.pdf">用于高速放大器的跨阻注意事项</a>”…，对本篇博文中的方程1和2进行定量推导。 </li>
<li>在<a href="http://www.deyisupport.com/question_answer/analog/amplifiers/f/52.aspx"…。 </li>
<li>浏览超过<a href="https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps">40个关于运算放大器噪音、带宽和稳定性等主题的培训视频</a>。 </li>
<li>在题为“<a href="http://www.ti.com/lit/an/snoa942/snoa942.pdf">跨阻放大器(TIA)：选择最佳的放大器用于工作</a>”的应用注释中，了解更多有关如何选择正确放大器的信息。 </li>