跨阻型放大器應(yīng)用指南

1、 Application ReportZHCA479 September 2012跨阻型放大器應(yīng)用指南 毛華平 德州儀器公司 (TI 高速應(yīng)用工程師摘 要本文簡要介紹了 Decompensate 型跨阻型放大器的應(yīng)用常見問題 .Abstract: this article simply introduce the normal application of unity gain stable TIA and decompensated TIA, and the normal issue met in the real application.Key words: GBP (Gain bandw

2、idth product, decompensated, stability, noise,CF(feedback capacitor, overshoot.Contents1引言 . 2 2TIA 應(yīng)用概論 . . 2 3TIA 應(yīng)用指標(biāo)分析 . . 3 3.1帶寬計(jì)算 33.2噪聲計(jì)算 64實(shí)際應(yīng)用中的常見問題 . 6 4.1振蕩 64.2overshoot 95 總結(jié) . . 116. 參考資料 . 11FiguresFigure 1 decomp和單位增益穩(wěn)定運(yùn)放波特圖 . 2 Figure2 TIA光電檢測電路 . 3 Figure3 TIA用于 DAC 輸出電流檢測電路 . . 3

3、 Figure4 未補(bǔ)償時的波特圖 . 4 Figure5 補(bǔ)償后的波特圖 . 5 Figure6 常用 TIA 增益與帶寬關(guān)系 . 6 Figure7 未加補(bǔ)償?shù)?20k 放大電路 . 7 Figure8 原始輸出響應(yīng) . 7 Figure9 加補(bǔ)償后的電路 . 8 Figure10 加補(bǔ)償后的脈沖響應(yīng) . 8 Figure11 原始補(bǔ)償?shù)念l響 . 9 Figure12 增大補(bǔ)償?shù)碾娐?. 10 Figure13 增大補(bǔ)償后的脈沖響應(yīng) . 10 Figure14 增大補(bǔ)償后的頻響 . 11 ZHCA4791 引言 TIA 全稱為 trans-impedance amplifier. 也就是跨

4、阻型放大器 .在需要電流轉(zhuǎn)電壓的應(yīng)用場合 , 如檢測微弱光電流信號的場合 , 通常需要用到跨阻型放大器 . TI 有一系列的跨阻放大器 , 如 OPA656,OPA657,OPA843,OPA84,LMH6629等等 . Ti 該產(chǎn)品系列主要的優(yōu) 勢在于低噪聲 , 能支持反饋高增益下寬帶應(yīng)用 . 這些特點(diǎn)在微弱光檢測的場合是非常關(guān)鍵的 . 另外 TI 的產(chǎn)品是一系列的 , 在不同的指標(biāo)要求如帶寬升級時可以很方便地找到 pin-pin 兼容的產(chǎn)品 .本文介紹了高速 TIA 應(yīng)用中關(guān)注的指標(biāo)及計(jì)算過程 . 另外介紹了在光檢測應(yīng)用下常見問題的解 決 .2 TIA 應(yīng)用概論在 TIA 應(yīng)用時 , 由于

5、輸入信號是電流 , 能夠應(yīng)用于這種場合的跨阻放大通常需要具備較低的電 流噪聲和電壓噪聲 . 比較典型的兩個器件是 :OPA657(1.6GHz,輸入電流噪聲 1.8 fA/rtHz, 輸入電壓噪 聲 4.8nV/rtHz, OPA847(3.9GHz, 輸入電流噪聲 2.5pA/rtHz, 輸入電壓噪聲 0.85nV/rtHz. 這兩款都是 Decompensated 放大器 .Decompensated 放大器特點(diǎn)如下 :Decompensated 放大器指的是非單位增益穩(wěn)定的放大器 , 如 OPA657最小穩(wěn)定增益是 7V/V, OPA847則為 12V/V.其波特圖和普通放大器比較如下

6、: Figure 1 decomp和單位增益穩(wěn)定運(yùn)放波特圖和單位穩(wěn)定放大器相比 , 其特點(diǎn)如下 :帶寬更寬 , 尤其是小信號下的帶寬更寬 , Slew rate更快 , 以及更大的 GBW. 另外一般來講 , decompensated 的放大器能夠提供更好的電壓噪聲 .所以在大增益的跨阻放大且要求一定帶寬的場合 , 使用 decompensated 放大器要比單位增益穩(wěn)定 放大器有優(yōu)勢 .G AZHCA479 跨阻型放大器 應(yīng)用指南 33 TIA 應(yīng)用指標(biāo)分析3.1 帶寬計(jì)算 一個用于光電流檢測的常規(guī)的跨阻型運(yùn)放的工作電路一般簡化如下:Figure2 TIA光電檢測電路或是用于作 DAC 的

7、電流轉(zhuǎn)電壓的應(yīng)用場合:Figure3 TIA 用于 DAC 輸出電流檢測電路對一定的運(yùn)放 , 其 GBP 是固定的 , Cdiff(芯片輸入的寄生差分容值 , Ccm(芯片輸入的寄生共模容值 也是固定的 , 選定前面的光檢測管 APD 或 PIN 后 , 其寄生容值 CD 也就是固定了 , 當(dāng)放大倍數(shù) RF 固定的時候 , 其能達(dá)到的 -3dB 閉環(huán)帶寬大約為 : ZHCA479 公式 1但是由于前端的寄生電容 Cs 和 Rf 會在噪聲增益曲線上形成一個零點(diǎn) , 導(dǎo)致運(yùn)放的開環(huán)增益曲線和噪 聲增益曲線相交處的逼近速度為 -40dB/dec, 這樣就會造成運(yùn)放的不穩(wěn)定 , 也就是會引起自激 .

8、其波 特圖如下: Figure4 未補(bǔ)償時的波特圖所以要達(dá)到這樣一個穩(wěn)定工作有一個前提 , 需要采用 CF 來作補(bǔ)償 , 在該曲線中引入一個極點(diǎn) . 補(bǔ)償后的曲線如下 :ZHCA479 跨阻型放大器 應(yīng)用指南 5Figure5 補(bǔ)償后的波特圖所以需要讓運(yùn)放穩(wěn)定工作 , 且達(dá)到最寬的 2階 butterworth 頻響 , 其 CF 的取值如下:公式 2對于 decompensated 的運(yùn)放 , 由于其最小增益的要求 , 還引來另外一個要求 , 就是其增益要大于其最 小穩(wěn)定增益 , 由于在高頻下 , 其增益表達(dá)式如下 :所以對特定的 decompensated 的運(yùn)放 , 這個值要大于其最小增

9、益要求 .公式 3在一個假定前端的寄生容性為 10pF 的場合 , 以下是幾個運(yùn)放能達(dá)到的帶寬和增益的對應(yīng)關(guān)系 :ZHCA479 6 跨阻型放大器 應(yīng)用指南Figure6 常用 TIA 增益與帶寬關(guān)系3.2 噪聲計(jì)算在由以上公式算出的帶寬后 , 運(yùn)放本身帶來的噪聲貢獻(xiàn)可以由如下公式算出:公式 4其中 :I EQ = 等效的輸入噪聲電流 , 這個值在帶寬 F < 1/(2R F C F 內(nèi)有效 . I N = 運(yùn)放本身輸入的電流噪聲 , 算 inverting 的輸入 . E N = 運(yùn)放輸入的電壓噪聲 .C D = 前面的光電二極管的寄生電容 . F = 帶寬 , 單位為 Hz.4kT

10、= 1.6E 21J at T = 290°K根據(jù)這個公式計(jì)算出等效的輸入噪聲電流后 , 就可以算出在 TIA 輸出后 SNR 了 .4 實(shí)際應(yīng)用中的常見問題這里整理幾個 TIA 運(yùn)放在實(shí)際使用中經(jīng)常遇到的問題 :4.1 振蕩這個問題在高增益 , 又有寬帶要求的情況下比較常見 .比如設(shè)計(jì)一個 20K 增益的放大鏈路 , 假設(shè)總的輸入的寄生電容很大 , 10pF. 根據(jù)上面的圖可以看出 , 采用 GBW 最寬的 OPA847進(jìn)行設(shè)計(jì) , 最寬穩(wěn)定帶寬只能在 50M 附近 . 設(shè)計(jì)電路如下 :ZHCA479 跨阻型放大器 應(yīng)用指南 7Figure7 未加補(bǔ)償?shù)?20k 放大電路輸入 20

11、n 的脈寬信號 , 10u 的幅度 , 得到的波形如下:Figure8 原始輸出響應(yīng)輸出有振蕩產(chǎn)生 .根據(jù)公式算出 CF 的取值應(yīng)該為 0.24p. 加上后 , 電路如下 :ZHCA479 8 跨阻型放大器 應(yīng)用指南Figure9 加補(bǔ)償后的電路仿真得到 : 可以看到 , 振蕩消失 , 只剩過沖 . 放大倍數(shù)也趨向正常 .Figure10 加補(bǔ)償后的脈沖響應(yīng)在高增益的場合 , 有可能反饋電阻自帶的電容以及反饋?zhàn)呔€帶來的寄生電容都可以達(dá)到這么微小的 電容值 . 所以需要依具體的測試結(jié)果來確定反饋是否要另外加電容 .ZHCA479 跨阻型放大器 應(yīng)用指南 94.2 overshoot在光時域反射檢

12、測光纖狀態(tài)的場合 , 輸出上的 overshoot 可能會對測量結(jié)果產(chǎn)生很大影響 , 這就 需要盡可能地減小 TIA 輸出的 overshoot. 如上圖所示的結(jié)果 , 約有 10%的 overshoot, 這對實(shí)際使用 是不利的 , 需要消除 .消除這種過沖最有效的方法是加大反饋電容 , 但是這樣帶來的一個直接后果是帶寬減小 . 如上面的案例 , 在輸出有 overshoot 的情況下 , 原始頻響為 : -3dB帶寬有 40M 左右.Figure11 原始補(bǔ)償?shù)念l響增大反饋到 0.45p 時 , 過沖消失 . ZHCA47910 跨阻型放大器 應(yīng)用指南 Figure12 增大補(bǔ)償?shù)碾娐?F

13、igure13 增大補(bǔ)償后的脈沖響應(yīng) 但是也可以看到 , 20nS的脈沖情況下 , 其輸出有點(diǎn)被濾除 , 增益減小了 . 原因就在于輸出的帶寬變窄 , 只剩 21MZHCA479 Figure14 增大補(bǔ)償后的頻響 TIA 運(yùn)放在作電流放大使用時需要注意帶寬和增益的折中, 以及平衡性和帶寬的折中. 而同時又 得兼顧噪聲的貢獻(xiàn), 所以需要綜合考慮以上的各項(xiàng)指標(biāo). 5 總結(jié) 6. 參考資料 1. Xavier Ramus “Transimpedance Considerations for High-Speed Amplifiers” 2. OPA847,OPA657 指標(biāo)書 跨阻型放大器應(yīng)用指南

14、 11 重要聲明 德州儀器(TI 及其下屬子公司有權(quán)在不事先通知的情況下, 隨時對所提供的產(chǎn)品和服務(wù)進(jìn)行更正、修改、增強(qiáng)、改進(jìn)或其它更改， 并有權(quán)隨時中止提供任何產(chǎn)品和服務(wù)?？蛻粼谙掠唵吻皯?yīng)獲取最新的相關(guān)信息 , 并驗(yàn)證這些信息是否完整且是最新的。所有產(chǎn)品的 銷售都遵循在訂單確認(rèn)時所提供的TI 銷售條款與條件。 TI 保證其所銷售的硬件產(chǎn)品的性能符合TI 標(biāo)準(zhǔn)保修的適用規(guī)范。僅在TI 保證的范圍內(nèi) , 且TI 認(rèn)為有必要時才會使用測試或其它質(zhì) 量控制技術(shù)。除非政府做出了硬性規(guī)定 , 否則沒有必要對每種產(chǎn)品的所有參數(shù)進(jìn)行測試。 TI 對應(yīng)用幫助或客戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)不承擔(dān)任何義務(wù)?？蛻魬?yīng)對其使用TI 組

15、件的產(chǎn)品和應(yīng)用自行負(fù)責(zé)。為盡量減小與客戶產(chǎn)品和應(yīng)用相關(guān) 的風(fēng)險(xiǎn)，客戶應(yīng)提供充分的設(shè)計(jì)與操作安全措施。 TI 不對任何TI 專利權(quán)、版權(quán)、屏蔽作品權(quán)或其它與使用了TI 產(chǎn)品或服務(wù)的組合設(shè)備、機(jī)器、流程相關(guān)的TI 知識產(chǎn)權(quán)中授予的直接 或隱含權(quán)限作出任何保證或解釋。TI 所發(fā)布的與第三方產(chǎn)品或服務(wù)有關(guān)的信息，不能構(gòu)成從TI 獲得使用這些產(chǎn)品或服務(wù)的許可、授 權(quán)、或認(rèn)可。使用此類信息可能需要獲得第三方的專利權(quán)或其它知識產(chǎn)權(quán)方面的許可，或是TI 的專利權(quán)或其它知識產(chǎn)權(quán)方面的許可。 對于TI 的產(chǎn)品手冊或數(shù)據(jù)表，僅在沒有對內(nèi)容進(jìn)行任何篡改且?guī)в邢嚓P(guān)授權(quán)、條件、限制和聲明的情況下才允許進(jìn)行復(fù)制。在復(fù)制 信

16、息的過程中對內(nèi)容的篡改屬于非法的、欺詐性商業(yè)行為。TI 對此類篡改過的文件不承擔(dān)任何責(zé)任。 在轉(zhuǎn)售TI 產(chǎn)品或服務(wù)時，如果存在對產(chǎn)品或服務(wù)參數(shù)的虛假陳述，則會失去相關(guān)TI 產(chǎn)品或服務(wù)的明示或暗示授權(quán)，且這是非法的、 欺詐性商業(yè)行為。TI 對此類虛假陳述不承擔(dān)任何責(zé)任。 TI 產(chǎn)品未獲得用于關(guān)鍵的安全應(yīng)用中的授權(quán)，例如生命支持應(yīng)用（在該類應(yīng)用中一旦TI 產(chǎn)品故障將預(yù)計(jì)造成重大的人員傷亡），除 非各方官員已經(jīng)達(dá)成了專門管控此類使用的協(xié)議。購買者的購買行為即表示，他們具備有關(guān)其應(yīng)用安全以及規(guī)章衍生所需的所有專業(yè) 技術(shù)和知識，并且認(rèn)可和同意，盡管任何應(yīng)用相關(guān)信息或支持仍可能由TI 提供，但他們將獨(dú)力負(fù)

17、責(zé)滿足在關(guān)鍵安全應(yīng)用中使用其產(chǎn) 品及TI 產(chǎn)品所需的所有法律、法規(guī)和安全相關(guān)要求。此外，購買者必須全額賠償因在此類關(guān)鍵安全應(yīng)用中使用TI 產(chǎn)品而對TI 及其 代表造成的損失。 TI 產(chǎn)品并非設(shè)計(jì)或?qū)ｉT用于軍事/航空應(yīng)用，以及環(huán)境方面的產(chǎn)品，除非TI 特別注明該產(chǎn)品屬于“軍用”或“增強(qiáng)型塑料”產(chǎn)品。只 有TI 指定的軍用產(chǎn)品才滿足軍用規(guī)格。購買者認(rèn)可并同意，對TI 未指定軍用的產(chǎn)品進(jìn)行軍事方面的應(yīng)用，風(fēng)險(xiǎn)由購買者單獨(dú)承擔(dān)， 并且獨(dú)力負(fù)責(zé)在此類相關(guān)使用中滿足所有法律和法規(guī)要求。 TI 產(chǎn)品并非設(shè)計(jì)或?qū)ｉT用于汽車應(yīng)用以及環(huán)境方面的產(chǎn)品，除非TI 特別注明該產(chǎn)品符合ISO/TS 16949 要求。購買者認(rèn)可并同意， 如果他們在汽車應(yīng)用中使用任何未被指定的產(chǎn)品，TI 對未能滿足應(yīng)用所需要求不承擔(dān)任何責(zé)任。 可訪問以下URL 地址以獲取有關(guān)其它TI 產(chǎn)品和應(yīng)用解決方案的信息：