跨導放大器的設計考慮

2020-12-05 電子產品世界

採用電壓反饋放大器 (VFA) 來設計一個優質的電流到電壓 (跨導放大器) 轉換器是一項重大的挑戰。本文將會探討一個用 345 MHz 的軌到軌輸出，電壓反饋放大器 (例如是美國國家半導體的 LMH6611)來實現的簡單 TIA 設計，並提供 TIA 設計所必需的信息，討論 TIA 的補償和性能結果，以及分析 TIA 輸出端的噪聲。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/187339.htm

　　圖 1 所示為一個用電壓反饋放大器構建的帶有光電二極體等效電容和運放輸入電容的 TIA 模型。

　　

　　由於 LMH6611 工作在較大增益 (RF) 時，其輸入偏置電流便較低，故可容許電路工作在低光強度的條件下。運算放大器反向端上的總電容 (Cr) 包括光二極體的電容 (CPD) 和輸入電容 (CIN)，Cr 在電路穩定性方面扮演著很重要的角色，而穩定性則取決於這個電路的噪聲增益 (NG)，其定義為：

　　

　　圖 2 所示為噪聲增益與運算放大器開環增益 (AOL)交點的波特圖。當增益較大時，CT 和 RF 在傳遞函數中產生了一個零點。在較高的頻率下，在環路附近會出現過大的相移，使得跨導放大器絕對不穩定。

　　

　　為了保持穩定性，需要加入一個反饋電容 (CF) 與RF 並聯以便在噪聲增益函數中的 fP 處構建一個極點。通過選用合適容值的 CF，便可使噪聲增益的斜坡變平從而獲取最佳的性能，這樣使得頻率 fP 點的噪聲增益等於運算放大器的開環增益。這個在 AOL和噪聲增益交點以上的噪聲增益斜率「平坦化」會得到一個 45 度的相位餘量 (PM)。這是因為在交點處，fP 點的噪聲增益極點會貢獻一個 45 度的相位超前，因此給出了一個 45 度的相位餘量 (假設 fP 和fZ之間最少有 10 MHz 的距離)。

　　公式 3 和 4 理論上可計算出 CF 的最優值和期望的 -3 dB 帶寬：

　　

　　公式 4 指出 TIA 的 -3 dB 帶寬與反饋電阻成反比。因此，假如帶寬很重要的話，那最好的方法是在一個適度的跨導增益級後跟隨一個寬帶電壓增益級。

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