如何利用TINA-TI来完成跨阻放大电路的稳定性设计

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如何利用TINA-TI来完成跨阻放大电路的稳定性设计 [复制链接]

——作者：TI 技术支持苏智超

 

 

在测试测量和医疗行业中，许多应用采集的原始信号都是光信号，例如LiDAR，OTDR，PCR等。在采集的过程中这类应用会不可避免的进行光电转换，首先通过光电二极管把光信号转化成电流信号，然后在通过跨阻放大电路把电流信号转成电压信号，之后再进行信号调理，最终输入ADC中。

其中跨阻放大电路的设计尤为关键，主要包括两方面，一方面是稳定性设计，一方面是噪声控制。接下来我们主要介绍如何借助TINA-TI来进行跨阻放大电路的稳定性设计。

 

 

一、 跨阻放大电路介绍

 

可以看到，随着反馈电容Cf的增加，Loop Gain的穿越频率越来越高，相位裕度越来越高，闭环带宽越来越小。从闭环传递函数的角度上分析，反馈电容越大，Q越小，阻尼系数越大。与欠阻尼况和过阻尼相比，在临界阻尼情况下（Q=0.707），系统从受扰动以后，趋近平衡所需的时间最短。通过改变反馈电容的大小，可以改变相位裕度来控制脉冲响应或者改变闭环增益。

 

 

4. 设计流程总结

1）确定Cs，反馈电阻Rf，闭环带宽f-3dB。

例如，Cs=10fF，Rf=159.15 kΩ，f-3dB=10MHz

2）如果想得到巴特沃斯响应Q=0.707，根据公式（3），确定所需要的最小的GBP，根据结算结果，选择带宽合适的运放。

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上面的公式是从何而来呢？可以参考一下《Transimpedance Considerations for High-Speed Amplifiers》，TIA电路的闭环传递函数是一个典型的二阶振荡环节，在获得巴特沃斯响应时，品质因数Q=0.707时，谐振频率fo=f-3dB。当根据TIA电路的闭环传递函数把fo的表达式写出来的时候发现，该频率点对应的是开环增益曲线和噪声增益曲线沿第一个零点过后延长线的交点。

需要注意的是，如果选择的运放的GBP比计算值大，那么在电路中计算时要按实际选择运放的GBP计算实际的闭环带宽。代入Cs=10fF，Rf=159.15 kΩ，f-3dB=10MHz，得：

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3）确定Cf。

同样的，参考一下《Transimpedance Considerations for High-Speed Amplifiers》，噪声增益曲线中反馈电阻R_f和反馈电容Cf形成的极点频率除以谐振频率fo等于Q，那么根据Q和f_o就可以求出Cf，而当Q=0.707时，fo=f-3dB：

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TI有一个Excel计算工具，可以帮助您完成设计，见《What you need to know about transimpedance amplifiers – part 2》

 

 

5. Decompensated amplifier在TIA电路中的应用

Decompensated amplifier是一种通过牺牲稳定性来提高性能的，单位增益下不稳定的运放。 与单位增益稳定运放相比，去补偿的放大器在使用更少的电流的同时，可以获得更高的增益带宽乘积，更低的噪声，更高的压摆率。

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对于如图1 理想的跨阻放大器电路而言，只有反馈电阻的存在，这种情况下，噪声增益为1，那么对于decompensated amplifier而言，因为单位增益不稳定的原因，去补偿放大器是不适合这种情况的。

但是，对于实际的跨阻放大器电路而言，由于Cs和Cf的存在，将Noise Gain 将会稳定在（1+Cs/Cf），这样

1）确保了decompensated amplifier能够工作在稳定的状态。

2）因为decompensated amplifier的开环增益曲线相比单位增益放大器的开环增益曲线，向上和向右拓展，因此避免了使用单位增益放大器的Loop Gain 以-40dB/dec速度下降的可能，同时提高了该放大电路的闭环带宽。