你需要了解的跨阻放大器

图1：含寄生电容的TIA电路

三个关键因素决定TIA的带宽：

总输入电容(CTOT)。

由RF设置理想的跨阻增益。

运算放大器的增益带宽积(GBP)：增益带宽越高，产生的闭环跨阻带宽就越高。

这三个因素相互关联：对特定的运算放大器来说，定位增益将设置最大带宽;反之，定位带宽将设置最大增益。

无寄生的单极放大器

这一分析的第一步假定在AOL响应和表1所示的规格中有一个单极的运算放大器。

DC、AOL(DC)时运算放大器的开环增益

120dB

运算放大器GBP

1GHz

159.15kW

表1：TIA规格

放大器的闭环稳定性与其相位裕度ΦM有关，相位裕度由定义为AOL×β的环路增益响应来确定，其中β是噪声增益的倒数。图2和图3中分别显示了用来确定运算放大器AOL和噪声增益的TINA-TI™电路。图2配置了一个开环配置的在试设备(DUT)，以导出其AOL。图3使用了一个具有理想RF、CF和CTOT的理想运算放大器来得出噪声增益-1/β。图3目前不包括寄生元件CF和CTOT。

图2：用来确定AOL的DUT配置

图3：用来确定噪声增益(1/β)的理想放大器配置

图4所示为环路增益AOL和1/β的模拟幅度和相位。由于1/β为纯阻抗式，其响应在频率中较为平坦。由于该放大器是一个如图3所示的单位增益配置，环路增益是AOL(dB)+β(dB)=AOL(dB)。因此，AOL和环路增益曲线如图4所示彼此交叠。由于这是一个单极系统，因AOL极的存在，fd条件下的总相移为90°。最终ΦM为180°-90°=90°，并且TIA是绝对稳定的。

图4：模拟回路增益，理想状态下的AOL和1/β

输入电容的影响(CTOT)

让我们来分析一下放大器输入电容对回路增益响应的影响。假设总有效输入电容CTOT为10pF。CTOT和RF组合将在fz=1/(2πRFCTOT)=100kHz的频率条件下在1/β曲线上创建一个零点。图5和图6显示了电路和产生的频率响应。AOL和1/β曲线在10MHz条件下相交—fz(100kHz)和GBP(1GHz)的几何平均值。1/β曲线中的零点变成β曲线中的极点。所得的环路增益将具有如图6所示的两极响应。

零点使得1/β的幅度以20dB/decade的速度增大，并在40dB/decade接近率(ROC)条件下与AOL曲线相交，从而形成了潜在的不稳定性。频率为1kHz时，占主导地位的AOL极点在回路增益中出现90°的相移。频率为100kHz时，零频率fz又发生一次90°的相移。最终影响为1MHz。由于回路增益交叉只在10MHz条件下发生，fd和fz的总相移将为180°，从而得出ΦM=0°，并指示TIA电路是不稳定的。

图5：含10pF输入电容的模拟电路

图6：含输入电容影响时的模拟回路增益AOL和(1/β)

为恢复因fz造成的失相，通过增加与RF并联的电容CF，将极点fp1插入1/β响应。fp1处于1/(2πRFCF)。为了得到最大平坦度的闭环巴特沃斯响应(ΦM=64°)，使用等式1计算CF：

其中，f-3dB是在等式2中所示的闭环带宽：

表2使用波特曲线理论汇总了回路增益响应中的拐点。

原因

幅度影响

相位影响

AOL主极点，fd=1kHz

从1kHz开始，幅度以-20dB/dec的速率下降

频率为100Hz-10kHz时，相位从180°开始以-45°/dec的速率下降

fz=100kHz时1/β零位

在fd的影响下，从100kHz开始，幅度以-40dB/dec的速率下降

频率为10kHz-1MHz时，相位从90°开始以-45°/dec的速率下降

fp1=7MHz时1/β极点

在前两种影响下，回路增益幅度的斜率从-40ddB/dec降至-20dB/dec

从700kHz开始，相位以45°/dec的速率增大，并开始恢复。其影响将一直持续增大到700MHz。

表2：极点和零点对回路增益幅度和相位的影响

设计TIA时，客户必须了解光电二极管的电容，因为该电容通常由应用确定。考虑到光电二极管的电容，下一步是选择适合应用的正确放大器。

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