TI技術(shù)專家：WEBENCH傳感設(shè)計(jì)器與光電探測(cè)器穩(wěn)定性的探討 - 全文

　　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(jì)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(jì)，也即約8.7% 的階躍輸入信號(hào)過沖。

　　WEBENCH設(shè)計(jì)器工具擁有強(qiáng)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(cè)應(yīng)用。這種功能，可讓用戶在進(jìn)行設(shè)計(jì)以前進(jìn)行系統(tǒng)和供應(yīng)鏈層面的價(jià)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(jì)器”的光電二極管部分。本文將專門為您介紹WEBENCH 傳感設(shè)計(jì)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(fù)或者反向偏置電壓的高速光電導(dǎo)電路（photoRB） 時(shí)，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(cè)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(cè)數(shù)字光信號(hào)的低精密度photoRB 應(yīng)用包括條形碼掃描儀和光纖接收機(jī)。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(jì)光電二極管前置放大器電路的最簡(jiǎn)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(gè)電阻器。這樣，您便可以在有或者沒有偏置電壓的情況下對(duì)光敏光電二極管進(jìn)行配置。在精密photoZB 結(jié)構(gòu)（請(qǐng)參見圖1a）中，輸入放大器需要有一個(gè)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(shí)間很重要，則photoRB 結(jié)構(gòu)（請(qǐng)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(dāng)?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(huì)使電流（IPH） 經(jīng)二極管從陰極流至陽極。該電流還會(huì)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(jí)使放大器反向輸入保持在接地電平左右。

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

　　
圖2 未經(jīng)補(bǔ)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(hào)的振蕩。但是，由于CF 值設(shè)置過高，導(dǎo)致這種簡(jiǎn)易解決方案過渡補(bǔ)償，從而使放大器輸出傳輸過慢。

　　
圖3 過渡補(bǔ)償?shù)墓怆姸O管電路

　　在photoZB應(yīng)用中，圖3 所示過渡補(bǔ)償或許能夠接受，但相比適當(dāng)補(bǔ)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?yàn)樗鼪]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(hào)，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(bǔ)償。

　　光電二極管補(bǔ)償作用因素

　　該跨阻抗放大器的目標(biāo)相位裕量為60°。就階躍響應(yīng)而言，這種相位裕量可實(shí)現(xiàn)8.7%的過沖（請(qǐng)參見圖4）。一些設(shè)計(jì)人員會(huì)說，這種雙極系統(tǒng)正確的相位裕量應(yīng)為45°。如圖4 所示，45°相位裕量電路的階躍響應(yīng)為22.5%。

　　
圖4 過沖響應(yīng)與相位裕量的關(guān)系

　　理論上而言，兩種相位裕量都可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電路設(shè)計(jì)；但是，我們還沒有考慮到放大器帶寬、電阻、電容和雜散電容的變化。這些變化都會(huì)對(duì)45°相位裕量的電路產(chǎn)生極大的不利影響。

　　圖3 所示簡(jiǎn)易電路的正確補(bǔ)償，要求我們清楚地了解電容和電阻作用因素。圖5 顯示了一個(gè)系統(tǒng)模型，其包括一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)（RF 和CF）和一個(gè)運(yùn)算放大器。后面的討論將為您介紹，所有電容組成部分結(jié)合在一起以后，如何對(duì)電路的頻率響應(yīng)產(chǎn)生直接的影響。在安裝硬件或者進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算以前，我們可以首先使用WEBENCH傳感器設(shè)計(jì)工具來生成良好系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。

　　
圖5光電探測(cè)器電路的系統(tǒng)模型

　　圖5 所示雙極系統(tǒng)電路的傳輸函數(shù)為：
?????????

　　其中β為噪聲增益的倒數(shù)，即：
???????

　　ZIN 為輸入網(wǎng)絡(luò)阻抗，即：
??????

　　ZF 為反饋網(wǎng)絡(luò)阻抗，即：
????

　　運(yùn)用代數(shù)計(jì)算方法得到系統(tǒng)極點(diǎn)頻率fp 和系統(tǒng)零頻率fz 的方程式分別為：

　　圖6 以圖形的方式顯示了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。該圖中，fi 為反饋系統(tǒng)（1/β）和放大器開環(huán)增益（AOL） 之間的截止頻率。頻率fBW 為放大器的增益帶寬積。該系統(tǒng)中，DC 增益G1 由電阻器RF 和RSH 決定。注意，反饋電阻（RF） 在第二項(xiàng)的分子中，而輸入電阻（RSH） 在分母中。該系統(tǒng)的高頻增益G2 依賴于系統(tǒng)的電容。請(qǐng)注意，第二項(xiàng)的分子包含輸入電容的和，而分母則包含電路的反饋電容（CF）。

　
　圖6 光電二極管電路的頻率響應(yīng)

　　穩(wěn)定性設(shè)計(jì)原則

　　極點(diǎn)頻率（fp） 和1/β 和AOL 之間截止頻率的分布情況，決定這種電路的穩(wěn)定性。反饋曲線和放大器開增益曲線相交的點(diǎn)，決定了電路的穩(wěn)定性。特別是，fi 的相位裕量決定電路所產(chǎn)生的振鈴或者過沖的類型和大小。例如，如果fp 等于fi，則電路相位裕量為45°。45° 相位裕量在方波輸入信號(hào)上產(chǎn)生~22.5% 的過沖。如果電路的相位裕量等于~60°，則該極的角頻率出現(xiàn)在放大器AOL 曲線交叉之前（請(qǐng)參見圖6）。如果fp 的角頻率低于AOL 截止頻率，則設(shè)計(jì)擁有60° 的相位裕量是可能的。60° 相位裕量得到~8.7% 的方波輸入信號(hào)過沖。

　　WEBENCH實(shí)施

　　PhotoRB 檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的WEBENCH 實(shí)施包括為理想60° 相位裕量選擇正確的反饋電容器（CF），選擇正確的放大器，并遵守電路的ADC 建議。WEBENCH 傳感器設(shè)計(jì)工具提供一個(gè)工作電路，以及一塊可以買到的、沒有安裝組件的印制電路板。圖7 顯示了WEBENCH photoRB 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

　
　圖7 photoRB 應(yīng)用電路的WEBBENCH 實(shí)施

　　結(jié)論

　　要想設(shè)計(jì)一個(gè)擁有良好穩(wěn)定性的光敏電路，您需要遵循一些方法。WEBENCH傳感器設(shè)計(jì)工具功能強(qiáng)大，可以為您提供擁有穩(wěn)定60° 相位裕量的電路。

　　參考文獻(xiàn)

　　1、《跨阻抗放大器噪聲問題》，作者：Bonnie C. Baker，（2008 年10 月2 日），發(fā)表于《EDN》（在線版），地址：http://www.edn.com。

　　2、《跨阻抗放大器穩(wěn)定性是光敏應(yīng)用的關(guān)鍵》，作者：Bonnie C. Baker，（2008年9月4日），發(fā)表于《EDN》（在線版），地址：http://www.edn.com。

　　3、《利用集成光電二極管/運(yùn)算放大器提高光敏性能》，作者：Bonnie C. Baker，1996年6月1日發(fā)表于《加拿大電子》。

　　4、《光電二極管放大器》，作者：Jerald G. Graeme，發(fā)表于1996年《Boston： McGraw-Hill》。

　　5、《跨阻抗放大器的理解與應(yīng)用（第1部分，共2部分）》，作者：David Westerman，（2007年8月8日），發(fā)表于《EE時(shí)代》（在線版），地址：http://eetimes.com。

　　6、《跨阻抗放大器的理解與應(yīng)用（第2部分，共2部分）》，作者：David Westerman，（2007年8月10日），發(fā)表于《EE時(shí)代》（在線版），地址：http://eetimes.com。

　　相關(guān)網(wǎng)站

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器：www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/dataconverters/data_converter.page

　　WEBENCH 設(shè)計(jì)中心：www.ti.com.cn/webench

　　WEBENCH Designer：www.ti.com/ww/en/analog/webench/sensors/index.shtml