選擇外部元件以保證穩(wěn)定性 - 可編程增益跨阻放大器使光譜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大

　　選擇外部元件以保證穩(wěn)定性

　　圖4a是一個(gè)很好的光電二極管放大器模型。該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)有一個(gè)極點(diǎn)在28 Hz，由運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)響應(yīng)引起（參見(jiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)），還有一個(gè)極點(diǎn)是由反饋電阻以及光電二極管的寄生電阻和電容引起。對(duì)于我們選擇的元件值，此極點(diǎn)出現(xiàn)在1 kHz處，如公式1所示。

　　（1）

　　注意，Rsh 比 Rf大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此公式1可簡(jiǎn)化為：

　　（1a）

　　每個(gè)極點(diǎn)導(dǎo)致開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)相移90°，總共相移180°，遠(yuǎn)低于開(kāi)環(huán)幅度相移跨過(guò)0 dB的頻率。如圖4b所示，缺少相位裕量幾乎必然導(dǎo)致電路振蕩。

　　為確保穩(wěn)定工作，可以放一個(gè)電容與Rf并聯(lián)，從而給傳遞函數(shù)添加一個(gè)零點(diǎn)。此零點(diǎn)可將傳遞函數(shù)跨過(guò)0 dB時(shí)的斜率從40 dB/十倍頻程降至20 dB/十倍頻程，從而產(chǎn)生正相位裕量。設(shè)計(jì)至少應(yīng)具有45°相位裕量才能保證穩(wěn)定性。相位裕量越高，則響鈴振蕩越小，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。電容添加到開(kāi)環(huán)響應(yīng)中的零點(diǎn)在閉環(huán)響應(yīng)中變成極點(diǎn)，因此隨著電容提高，放大器的閉環(huán)響應(yīng)會(huì)降低。公式2顯示如何計(jì)算反饋電容以提供45°相位裕量。

　　（2）

　　其中， fu 是運(yùn)算放大器的單位增益頻率。

　　此Cf 值決定系統(tǒng)能夠工作的最高實(shí)際帶寬。雖然可以選擇更小的電容以提供更低的相位裕量和更高的帶寬，但輸出可能會(huì)過(guò)度振蕩。此外，所有元件都必須留有余地，以便在最差情況下保證穩(wěn)定性。本例選擇 Cf = 4.7 pF，相應(yīng)的閉環(huán)帶寬為34 kHz，這是許多光譜系統(tǒng)的典型帶寬。

　　圖5顯示了增加反饋電容后的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)。相位響應(yīng)最低點(diǎn)在30°以下，但這與增益變?yōu)? dB的頻率相差數(shù)十倍頻程，因此放大器仍將保持穩(wěn)定。

　　圖5. 使用1.2 pF反饋電容的光電二極管放大器開(kāi)環(huán)響應(yīng)

　　可編程增益TIA

　　設(shè)計(jì)可編程增益光電二極管放大器的一種方法是使用跨阻放大器，其增益能使輸出保持在線性區(qū)域內(nèi)，即便對(duì)于亮度最高的光線輸入。這樣，可編程增益放大器級(jí)就能在低光照條件下增強(qiáng)TIA的輸出，對(duì)高強(qiáng)度信號(hào)實(shí)現(xiàn)接近1的增益，如圖6a所示。另一個(gè)選擇是直接在TIA中實(shí)現(xiàn)可編程增益，消除第二級(jí)，如圖6b所示。

　　圖6. （a） TIA第一級(jí)后接PGA；（b） 可編程增益TIA