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作者：毛華平---德州儀器公司 (TI) 高速應(yīng)用工程師 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, 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 帶寬計算 一個用于光電流檢測的常規(guī)的跨阻型運放的工作電路一般簡化如
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 固定的時候, 其能達(dá)到的-3dB閉環(huán)帶寬大約為:
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零點,導(dǎo)致運放的開環(huán)增益曲線和噪聲增益曲線相交處的逼近速度為-40dB/dec, 這樣就會造成運放的不穩(wěn)定,也就是會引起自激. 其波特圖如下:
Figure4 未補償時的波特圖 所以要達(dá)到這樣一個穩(wěn)定工作有一個前提, 需要采用CF 來作補償, 在該曲線中引入一個極點. 補償后的曲線如下:
Figure5 補償后的波特圖 所以需要讓運放穩(wěn)定工作, 且達(dá)到最寬的2 階butterworth 頻響, 其CF 的取值如下:
對于decompensated 的運放, 由于其最小增益的要求, 還引來另外一個要求, 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 的運放, 這個值要大于其最小增益要求. 在一個假定前端的寄生容性為10pF 的場合, 以下是幾個運放能達(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 噪聲計算 在由以上公式算出的帶寬后, 運放本身帶來的噪聲貢獻(xiàn)可以由如下公式算出:
其中: IEQ = 等效的輸入噪聲電流, 這個值在帶寬 F < 1/(2πRFCF)內(nèi)有效. IN = 運放本身輸入的電流噪聲,算inverting的輸入. EN = 運放輸入的電壓噪聲. 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)這個公式計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 實際應(yīng)用中的常見問題 這里整理幾個TIA 運放在實際使用中經(jīng)常遇到的問題: 4.1 振蕩 這個問題在高增益,又有寬帶要求的情況下比較常見. 比如設(shè)計一個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, 最寬穩(wěn)定帶寬只能在50M 附近. 設(shè)計電路如下:
Figure7 未加補償?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走線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 原始補償?shù)念l響 增大反饋到0.45p 時, 過沖消失.
Figure12 增大補償?shù)碾娐?br />
Figure13 增大補償后的脈沖響應(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 增大補償后的頻響 5 總結(jié) TIA 運放在作電流放大使用時需要注意帶寬和增益的折中, 以及平衡性和帶寬的折中. 而同時又得兼顧噪聲的貢獻(xiàn), 所以需要綜合考慮以上的各項指標(biāo). 6. 參考資料 1. Xavier Ramus “Transimpedance Considerations for High-Speed Amplifiers” 2. OPA847,OPA657 指標(biāo)書 |
