跨阻放大器在光電傳感電路中的穩定性分析與處理方法

2021-01-10 騰訊網

當放大器輸入、輸出管腳存在電容時，容易導致放大器電路不穩定，這個電容可以是電容器、也可以是具有容性特徵的器件。例如本篇將討論的光電二極體傳感器，筆者從事研發時也曾爬過這個坑。由於光電二極體內部具有等效電容，所以在電路穩定性分析時，還需要結合放大器輸入阻抗特徵以及配置電路參數進行分析，進而將本篇內容安排在《放大器相位裕度與電路穩定性判斷方法》，與《放大器的輸入阻抗參數與應用仿真》之後。

如圖3.21（a）為典型的光電二極體傳感電路，光電二極體的電流信號通過跨阻放大器轉化為電壓信號。光電二極體可以等效為電阻，結電容，恆流源並聯的結構。

圖3.21 光電二極體傳感電路

如圖3.22為濱松光電傳感器規格，S1277-1010BR內部電阻典型值為2GΩ，結電容為3nf。

圖3.22濱松光電傳感器參數

如圖3.21（b），光電二極體傳感等效電路中,由Rf、Cp、Cdi、Ccm會產生一個極點，將對電路的穩定性產生影響，極點頻率為式3-10。

其中,Ctotal為光電二極體結電容Cp，輸入共模電容Ccm，輸入差模電容Cdiff並聯之和。

如圖3.24，使用ADA4817設計μA級光電流傳感的交流分析等效電路。

圖3.24 ADA4817跨阻放大仿真電路

如圖3.23，ADA4817輸入共模電容為1.3pf，輸入差模電容為0.1pf，相比結電容的影響可以忽略。將上述電路參數代入式3-10可得：

圖3.23 ADA4817 輸入特性

使用LTspice進行AC分析結果如圖3.25，在478.95KHz處環路增益（V（out）/V(in)）的幅頻特性增益為0dB,對應相頻特性相移達到164.15°，相位裕度15.85°，電路不穩定。

圖3.25 ADA4817環路增益波特圖AC分析結果

為保證放大器穩定工作，需要引入零點，其頻率應小於0.1倍環路增益為0dB時的頻率,如式3-11。

整理得到反饋電容值，為式3-12。

將參數代入式3-12,計算Cf為33pf。如圖3.26，將反饋電容配置在補償仿真電路中，再次進行仿真。

圖3.26 增加補償的ADA4817電路

AC分析結果如圖3.27， 在4.67MHz處的環路增益（V（out）/V(in)）的幅頻特性增益為0dB,對應相頻特性曲線中相移為90.31°，相位裕度為89.69°，電路穩定。

圖3.27增加補償的ADA4817電路AC分析結果

綜上，運用跨阻放大器處理光電傳感器時，需要分析光電傳感器內部等效電容，與電路反饋電阻構成新極點對電路相位裕度的影響，當電路不穩定時，應在小於0.1倍環路增益為0dB時的頻率範圍內增加零點調節電路穩定工作。

此外ADI提供了在線光電二極體檢測電路設計工具，適合新手工程師使用。在ADI官網的精密信號鏈設計工具中選「Photodiode」進入圖3.28，光電傳感器配置窗口。在「select photodiode formlibrary」項中，提供知名廠商的光電二極體型號，不在庫中的光電二極體可以根據所使用參數，直接輸入結電容CD,源阻抗Rs，最大電流值IP參數，然後點擊進入「Circuit design」窗口，如圖3.29。工具還將推薦適合的跨阻放大器，反饋電阻Rf值，反饋電容Cf值，並計算信噪比值。在「Next Step」窗口可以下載包括LTspice電路的全部設計資料。

圖3.28 跨阻放大器設計工具--光電傳感器配置窗口

作者：鄭薈民

來源：放大器參數解析與LTspice仿真

聲明：本文由作者原創，文章內容系作者個人觀點，電子發燒友轉載僅作為傳達一種不同觀點，不代表電子發燒友網對該觀點的贊同或支持，如有異議，歡迎聯繫電子發燒友網。

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