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, 當放大倍數(shù)RF 固定的時候, 其能達到的-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, 且達到最寬的2 階butterworth 頻響, 其CF 的取值如下:

公式2

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.

公式3

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.