放大器和光電二極管寄生電容如何對(duì)電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響

在信號(hào)頻率響應(yīng)中，直流跨阻放大器的討論是了解交流信號(hào)響應(yīng)的良好開(kāi)端。但這還不是全部。您可能希望通過(guò)跨阻放大器電路（TIA）的信號(hào)穩(wěn)定。

回到我們的標(biāo)準(zhǔn)TIA電路（圖1）。

圖1.無(wú)寄生電容的標(biāo)準(zhǔn)高精度TIA電路。

我知道這是一個(gè)光電流轉(zhuǎn)換器，但現(xiàn)在我們有一個(gè)輸出電壓信號(hào)的放大器，電路穩(wěn)定性的確定取決于電壓域。圖1中的電路可能不穩(wěn)定，但憑借您在本博客中新學(xué)到的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，您將了解TIA游戲中的玩家。TIA穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于放大器和反饋元件寄生效應(yīng)。

放大器和反饋電路的寄生效應(yīng)

從放大器電路開(kāi)始，該電路中隱藏著四個(gè)額外的寄生電容;C射頻， CFMN， C厘米-和 C差異（圖2）。

圖2.該圖明確繪制了放大器電路的寄生電容。

寄生放大器電容為 CFMN， C厘米-和 C差異.CFMN和 C厘米-是輸入共模放大器電容。你會(huì)注意到 CFMN從接地連接到放大器中的虛擬接地偏置。因此，我們將忽略CFMN并調(diào)用 C厘米-，簡(jiǎn)單地 C厘米.C差異肯定在電路中，它實(shí)際上與C并聯(lián)厘米。這一事實(shí)方便地使放大器的輸入電容等于C厘米 + C差異，我們稱(chēng)之為C放大 器。

在圖2的頂部，有一個(gè)寄生電容（C射頻） 反饋電阻兩端，RF.該電容是分立電阻兩端的寄生電容加上布局中PCB寄生并聯(lián)電容的結(jié)果。通常，所有這些寄生電容的累積值最多為幾皮法。如果PCB設(shè)計(jì)人員意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，仔細(xì)的布局可以將該電容降低到1pF以下。您可能會(huì)認(rèn)為這個(gè)小電容可以忽略不計(jì)，直到我們計(jì)算反饋電容（CF） 值，但讓我們把這個(gè)最終決定推遲到我們的設(shè)計(jì)工作結(jié)束。圖2中的放大器具有三個(gè)寄生電容C厘米-， C差異和 CFMN.

圖 2 中的定義或組件標(biāo)簽包括：

CF= TIA 反饋電容。

RF= TIA 反饋電阻。

C射頻= TIA 反饋電阻寄生電容。

C厘米-， CFMN= 共模放大器電容。

C差異= 差分放大器電容。

一個(gè)老（jw） = 放大器開(kāi)環(huán)增益。

修改的變量：

C厘米- = C厘米

C放大 器 = C厘米 + C差異

值得注意的是，C放大 器與光電二極管 （PD） 并聯(lián)。簡(jiǎn)而言之，如果光電二極管有任何寄生電容，放大器的電容會(huì)增加光電二極管的電容。稍后我們將了解這如何影響電路穩(wěn)定性。

光電二極管寄生效應(yīng)

光電二極管接收光信號(hào)。在該電路中，光電二極管上的入射光產(chǎn)生電流（I帕金森） 流過(guò)二極管從陰極流向陽(yáng)極。放大器的反相輸入阻抗極高，使光電二極管產(chǎn)生的電流流過(guò)反饋電阻，RF （圖3）。

圖3.光電二極管寄生效應(yīng)包括結(jié)電容（C帕金森）和結(jié)電阻（R帕金森）。

在圖3中，寄生元件的定義是：

PD = 理想光電二極管。

我帕金森= 照亮光電二極管上的光產(chǎn)生的電流。

C帕金森= 光電二極管寄生電容。

R帕金森= 光電二極管寄生并聯(lián)電阻。

當(dāng)光線照射到光電二極管上時(shí)，電流（I帕金森） 從二極管的陰極傳導(dǎo)到陽(yáng)極。例如，使用 RF和 CF等于 1MW 和 2.5pF（含）和 I帕金森等于直流 （1mA），信號(hào)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)等于 1/（2p RF x CF） 或 63.7kHz 和放大器輸出電壓 V外，等于 I帕金森Y SF或+1V。R 的減少F將此極點(diǎn)移動(dòng)到更高的頻率值，將輸出電壓移動(dòng)到較低的電壓。

該跨阻放大器的總體情況包括所有元件及其寄生電容和電阻（圖 4）。

圖4.跨阻放大器的完整電路圖，包括寄生電容和電阻。

在圖4中，放大器的輸入偏置電流必須低于最小光電二極管電流。使用輸入偏置電流規(guī)格小于10pA的FET或CMOS輸入放大器（如MAX44260）是經(jīng)驗(yàn)法則，典型輸入偏置電流規(guī)格為0.01pA。

特定放大器的失調(diào)電壓誤差可能是也可能不是問(wèn)題，具體取決于應(yīng)用電路。具有高失調(diào)電壓（10毫伏范圍）的放大器會(huì)極大地?fù)p害電路的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。

在精密應(yīng)用中，放大器在光電二極管兩端的失調(diào)電壓會(huì)產(chǎn)生與照射到光電二極管的光無(wú)關(guān)的電流，從而影響電路的低光輸入線性度。

失調(diào)電壓也可能影響 TIA 的動(dòng)態(tài)范圍。例如，圖1中的電路設(shè)計(jì)的電壓增益為（1 + RF， 1帕金森）。失調(diào)電壓乘以該增益因數(shù)傳遞到放大器的輸出。在本例中，射頻等于 1MW 和 R帕金森等于1GW，等于1.001V/V。失調(diào)電壓為10mV的放大器在輸出端為10.01mV時(shí)具有恒定的直流誤差。在5V系統(tǒng)中，10.01mV使動(dòng)態(tài)范圍減小了約0.2%。圖4所示，MAX44260的最大輸入失調(diào)電壓等于50mV，動(dòng)態(tài)范圍誤差為0.001%。

我將用 TIA 波特圖（圖 5）來(lái)取笑您，現(xiàn)在很少或根本沒(méi)有解釋。在此圖中，您將看到這些寄生元件彈出，這將使我們進(jìn)入穩(wěn)定的TIA電路。在下一篇博客中見(jiàn)，它將深入探討這個(gè)預(yù)兆圖的細(xì)節(jié)。

圖5.閉環(huán)增益（1/β）和放大器開(kāi)環(huán)增益（A老） 為 20dB/十倍頻程，這決定了電路穩(wěn)定性。

審核編輯：郭婷