跨阻放大器電路的寄生效應(yīng)解析

在TIA 基礎(chǔ)第 2 部分：信號(hào)頻率響應(yīng)中對直流跨阻放大器的討論是了解交流信號(hào)響應(yīng)的良好開端。但這還不是全部。您可能希望通過跨阻放大器電路 （TIA） 的信號(hào)保持穩(wěn)定。

回到我們的標(biāo)準(zhǔn) TIA 電路（圖 1）。

圖 1. 無寄生電容的標(biāo)準(zhǔn)高精度 TIA 電路。

我知道這是一個(gè)光電流轉(zhuǎn)換器，但現(xiàn)在我們有一個(gè)輸出電壓信號(hào)的放大器，電路穩(wěn)定性的確定在于電壓域。圖 1 中的電路可能會(huì)不穩(wěn)定，但憑借您在本博客中新學(xué)到的設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，您將逐步了解 TIA 游戲中的參與者。TIA 穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于放大器和反饋元件的寄生效應(yīng)。

放大器和反饋電路的寄生效應(yīng)

從放大器電路開始，該電路中隱藏著四個(gè)額外的寄生電容；C RF、C CM+、C CM-和 C DIFF（圖 2）。

圖 2. 該圖明確繪制了放大器電路的寄生電容。

寄生放大器電容為C CM+、C CM-和C DIFF。C CM+和C CM-是輸入共模放大器電容。您會(huì)注意到 C CM+從接地連接偏置到放大器中的虛擬接地。因此，我們將忽略 C CM+并調(diào)用 C CM-，簡稱 C CM。C DIFF肯定在電路中，它實(shí)際上與 C CM并聯(lián)。這一事實(shí)方便地使放大器的輸入電容等于 C CM + C DIFF，我們將其稱為 C AMP。

在圖 2 的頂部，反饋電阻 R F兩端有一個(gè)寄生電容 （C RF ） 。該電容是分立電阻器上的寄生電容加上布局中 PCB 寄生并聯(lián)電容的結(jié)果。通常，所有這些寄生電容的累積值最多為幾皮法。如果 PCB 設(shè)計(jì)人員意識(shí)到這個(gè)問題，仔細(xì)布局可以將此電容降低到 1pF 以下。在我們計(jì)算反饋電容 （C F ） 值之前，您可能認(rèn)為這個(gè)小電容可以忽略不計(jì)，但讓我們將這個(gè)最終決定推遲到我們的設(shè)計(jì)工作結(jié)束。圖 2 中的放大器具有三個(gè)寄生電容，C CM-、C DIFF和 C厘米+。

圖 2 中的定義或組件標(biāo)簽是：

C F = TIA 反饋電容。

R F = TIA 反饋電阻。

C RF = TIA 反饋電阻寄生電容。

C CM-、C CM+ = 共模放大器電容。

C DIFF = 差分放大器電容。

A OL （jw） = 放大器開環(huán)增益。

修改變量：

CCM- = CCM _

C AMP = C CM + C DIFF

值得注意的是，C AMP與光電二極管 （PD） 并聯(lián)。簡而言之，如果光電二極管有任何寄生電容，則放大器的電容會(huì)增加光電二極管的電容。稍后我們將了解這如何影響電路穩(wěn)定性。

光電二極管寄生效應(yīng)

光電二極管接收光信號(hào)。在該電路中，光電二極管上的入射光導(dǎo)致電流 （ IPD ） 從陰極流過二極管到陽極。放大器的反相輸入阻抗極高，使光電二極管產(chǎn)生的電流流過反饋電阻 R F（圖 3）。

圖 3. 光電二極管寄生參數(shù)包括結(jié)電容 （C PD ） 和結(jié)電阻 （R PD ）。

在圖 3 中，寄生元件的定義為：

PD = 理想光電二極管。

I PD = 光照在光電二極管上產(chǎn)生的電流。

C PD = 光電二極管寄生電容。

R PD = 光電二極管寄生并聯(lián)電阻。

當(dāng)光照射到光電二極管上時(shí)，電流 （ IPD ） 從二極管的陰極傳導(dǎo)到陽極。例如，R F和 C F等于 1MW 和 2.5pF（含），I PD等于 DC （1mA），信號(hào)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)等于 1/（2p R F x C F ） 或 63.7kHz，放大器輸出電壓 V OUT等于 I PD x R F或 +1V。R F的減小使該極點(diǎn)移至更高的頻率值，并將輸出電壓移至更低的電壓。

該跨阻放大器的整體情況包括所有組件及其寄生電容器和電阻器（圖 4）。

圖 4. 包含寄生電容和電阻的跨阻放大器的完整電路圖。

在圖 4 中，放大器的輸入偏置電流必須低于最小光電二極管電流。經(jīng)驗(yàn)法則是使用輸入偏置電流規(guī)格小于 10pA 的 FET 或 CMOS 輸入放大器，例如 MAX44260，其典型輸入偏置電流規(guī)格等于 0.01pA。

特定放大器的失調(diào)電壓誤差可能會(huì)或可能不會(huì)成為問題，具體取決于應(yīng)用電路。具有高失調(diào)電壓（10 毫伏范圍）的放大器會(huì)極大地?fù)p害電路的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。

在精密應(yīng)用中，放大器在光電二極管上的失調(diào)電壓會(huì)產(chǎn)生與撞擊光電二極管的光無關(guān)的電流，從而影響電路的低光輸入線性度。

失調(diào)電壓也可能影響 TIA 的動(dòng)態(tài)范圍。例如，圖 1 中的電路設(shè)計(jì)具有 （1 + R F / R PD ） 的電壓增益。偏移電壓乘以該增益因子傳送到放大器的輸出。在本例中，RF 等于 1MW，R PD等于 1GW，等于 1.001V/V。失調(diào)電壓為 10mV 的放大器在 10.01mV 的輸出端會(huì)產(chǎn)生恒定的直流誤差。在 5V 系統(tǒng)中，10.01mV 會(huì)使動(dòng)態(tài)范圍減小約 0.2%。在圖 4 中，MAX44260 的最大輸入失調(diào)電壓等于 50mV，產(chǎn)生 0.001% 的動(dòng)態(tài)范圍誤差。

我將用 TIA 波特圖（圖 5）來逗你一笑，但現(xiàn)在很少或根本沒有解釋。在此圖中，您會(huì)看到這些寄生組件彈出，這將引導(dǎo)我們前往穩(wěn)定的 TIA 電路。下一篇博文中見，將深入了解這個(gè)波特圖的詳細(xì)信息。

圖 5. 閉環(huán)增益 （1/β） 和放大器的開環(huán)增益 （A OL ）之間的閉合率為20dB/decade，它決定了電路的穩(wěn)定性。

審核編輯：郭婷