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作者：毛華平---德州儀器公司 (TI) 高速應用工程師 1 引言 TIA全稱(chēng)為trans-impedance amplifier. 也就是跨阻型放大器。 在需要電流轉電壓的應用場(chǎng)合, 如檢測微弱光電流信號的場(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)勢在于低噪聲, 能支持反饋高增益下寬帶應用. 這些特點(diǎn)在微弱光檢測的場(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 應用中關(guān)注的指標及計算過(guò)程. 另外介紹了在光檢測應用下常見(jiàn)問(wèn)題的解決. 2 TIA 應用概論 在TIA 應用時(shí), 由于輸入信號是電流, 能夠應用于這種場(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定的放大器, 如OPA657 最小穩定增益是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(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定放大器有優(yōu)勢. 3 TIA 應用指標分析 3.1 帶寬計算 一個(gè)用于光電流檢測的常規的跨阻型運放的工作電路一般簡(jiǎn)化如
Figure2 TIA 光電檢測電路 或是用于作DAC 的電流轉電壓的應用場(chǎng)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RF 固定的時(shí)候, 其能達到的-3dB閉環(huán)帶寬大約為:
但是由于前端的寄生電容Cs 和Rf 會(huì )在噪聲增益曲線(xiàn)上形成一個(gè)零點(diǎn),導致運放的開(kāi)環(huán)增益曲線(xiàn)和噪聲增益曲線(xiàn)相交處的逼近速度為-40dB/dec, 這樣就會(huì )造成運放的不穩定,也就是會(huì )引起自激. 其波特圖如下:
Figure4 未補償時(shí)的波特圖 所以要達到這樣一個(gè)穩定工作有一個(gè)前提, 需要采用CF 來(lái)作補償, 在該曲線(xiàn)中引入一個(gè)極點(diǎn). 補償后的曲線(xiàn)如下:
Figure5 補償后的波特圖 所以需要讓運放穩定工作, 且達到最寬的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(lái)另外一個(gè)要求, 就是其增益要大于其最小穩定增益, 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(gè)值要大于其最小增益要求. 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)運放能達到的帶寬和增益的對應關(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(lái)的噪聲貢獻可以由如下公式算出:
其中: IEQ = 等效的輸入噪聲電流, 這個(gè)值在帶寬 F < 1/(2πRFCF)內有效. 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 根據這個(gè)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(shí)際應用中的常見(jiàn)問(wèn)題 這里整理幾個(gè)TIA 運放在實(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(jiàn). 比如設計一個(gè)20K 增益的放大鏈路, 假設總的輸入的寄生電容很大, 10pF. 根據上面的圖可以看出,采用GBW 最寬的OPA847 進(jìn)行設計, 最寬穩定帶寬只能在50M 附近. 設計電路如下:
Figure7 未加補償的20k 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 輸出有振蕩產(chǎn)生. 根據公式算出CF 的取值應該為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(guò)沖. 放大倍數也趨向正常.
Figure10 加補償后的脈沖響應 在高增益的場(chǎng)合, 有可能反饋電阻自帶的電容以及反饋走線(xiàn)帶來(lái)的寄生電容都可以達到這么微小的電容值. 所以需要依具體的測試結果來(lái)確定反饋是否要另外加電容. 4.2 overshoot 在光時(shí)域反射檢測光纖狀態(tài)的場(chǎng)合, 輸出上的overshoot 可能會(huì )對測量結果產(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(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 原始補償的頻響 增大反饋到0.45p 時(shí), 過(guò)沖消失.
Figure12 增大補償的電路
Figure13 增大補償后的脈沖響應 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 增大補償后的頻響 5 總結 TIA 運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, 所以需要綜合考慮以上的各項指標. 6. 參考資料 1. Xavier Ramus “Transimpedance Considerations for High-Speed Amplifiers” 2. OPA847,OPA657 指標書(shū) |
