TI技術(shù)專家：WEBENCH傳感設(shè)計器與光電探測器穩(wěn)定性的探討

　　光敏應(yīng)用的首要工作是讓跨阻抗放大器電路擁有良好的穩(wěn)定性。WEBENCH? 設(shè)計器工具TI 開發(fā)人員致力于為客戶提供擁有60°相位裕量的光敏設(shè)計，也即約8.7% 的階躍輸入信號過沖。

　　WEBENCH設(shè)計器工具擁有強大的軟件算法和可視界面，可在數(shù)秒內(nèi)生成完整的電源、照明和傳感檢測應(yīng)用。這種功能，可讓用戶在進行設(shè)計以前進行系統(tǒng)和供應(yīng)鏈層面的價值比較。WEBENCH 環(huán)境中內(nèi)嵌了眾多工具，其中之一便是“傳感設(shè)計器”的光電二極管部分。本文將專門為您介紹WEBENCH 傳感設(shè)計器的嵌入式光電二極管電路穩(wěn)定性。

　　忽略穩(wěn)定性的后果

　　很多光敏應(yīng)用均使用光電二極管前置放大器（preamp） 電路。這些電路將來自LED 或者光源的光信息轉(zhuǎn)換為有效電壓。使用零偏置電壓的精密光電導(dǎo)電路（photoZB） 以及負或者反向偏置電壓的高速光電導(dǎo)電路（photoRB） 時，內(nèi)嵌電路相位裕量便至關(guān)重要。一些使用光電二極管前置放大器的精密photoZB 應(yīng)用包括CT 掃描儀、血液分析儀、煙霧探測器和位置傳感器。這些精密電路要求電壓反饋放大器擁有低輸入偏置電流、低偏移電壓和低噪聲。利用檢測數(shù)字光信號的低精密度photoRB 應(yīng)用包括條形碼掃描儀和光纖接收機。這些高速應(yīng)用電路要求電壓反饋放大器擁有更大的帶寬。

　　設(shè)計光電二極管前置放大器電路的最簡單方法是將光電二極管放置于放大器輸入之間，非反向輸入接地，并在反饋環(huán)路中放置一個電阻器。這樣，您便可以在有或者沒有偏置電壓的情況下對光敏光電二極管進行配置。在精密photoZB 結(jié)構(gòu)（請參見圖1a）中，輸入放大器需要有一個低輸入偏置電流和低偏移電壓的FET 或者CMOS 輸入結(jié)構(gòu)。在該電路中，光電二極管陰極連接放大器反向輸入，而光電二極管陽極接地。該電路的光電二極管傳感器為零偏置。就光電二極管的陽極和陰極而言，注意電流IPH 的方向。

　　
圖1 光電二極管預(yù)放大結(jié)構(gòu)

　　如果數(shù)字速度和快速響應(yīng)時間很重要，則photoRB 結(jié)構(gòu)（請參見圖1b）使用反向偏置電壓的光電二極管。這種反向偏置電壓在光電二極管形成漏電流。但是，相比photoZB 結(jié)構(gòu)，光電二極管的寄生電容相當?shù)牡汀９怆姸O管電容的減少，增加了電路的帶寬。反向偏置光電二極管前置放大器配置使用的放大器，可以使用FET、CMOS 或者雙極輸入；但是，放大器的帶寬越高越好。

　　不管是哪種結(jié)構(gòu)，光電二極管的入射光都會使電流（IPH） 經(jīng)二極管從陰極流至陽極。該電流還會流經(jīng)反饋電阻器RF，從而引起電阻器出現(xiàn)壓降。放大器輸入級使放大器反向輸入保持在接地電平左右。

　　圖1a 和1b 所示簡易解決方案通常不會成功。圖2 顯示了一個階躍輸入光信號如何在放大器輸出端VOUT 產(chǎn)生可怕的振鈴。如果幸運的話，這種光敏電路也可能不會出現(xiàn)振鈴，但我們最好是理解并對這種穩(wěn)定性問題進行補償。

　　
圖2 未經(jīng)補償?shù)膒hotoZB 光電二極管電路

　　圖3 中，在反饋環(huán)路中添加的電容CF 改變了電路的整體相位裕量，并消除了輸出信號的振蕩。但是，由于CF 值設(shè)置過高，導(dǎo)致這種簡易解決方案過渡補償，從而使放大器輸出傳輸過慢。

　　
圖3 過渡補償?shù)墓怆姸O管電路

　　在photoZB應(yīng)用中，圖3 所示過渡補償或許能夠接受，但相比適當補償?shù)碾娐?，這種電路的功耗和噪聲更高。至于photoRB 應(yīng)用，這種電路響應(yīng)則不可接受，因為它沒有產(chǎn)生較好的方波響應(yīng)。由于photoRB 電路依賴于無噪數(shù)字方波信號，因此我們需要更多地關(guān)注圖2 和3 所示結(jié)構(gòu)，以獲得正確的補償。