1 引言
TIA 全稱為trans-impedance amplifier. 也就是跨阻型放大器.
在需要電流轉電壓的應用場合, 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 該產品系列主要的優勢在于低噪聲, 能支持反饋高增益下寬帶應用. 這些特點在微弱光檢測的場合是非常關鍵的. 另外TI 的產品是一系列的, 在不同的指標要求如帶寬升級時可以很方便地找到pin-pin 兼容的產品.
本文介紹了高速TIA 應用中關注的指標及計算過程. 另外介紹了在光檢測應用下常見問題的解決.
2 TIA 應用概論
在TIA 應用時, 由于輸入信號是電流, 能夠應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 放大器特點如下:
Decompensated 放大器指的是非單位增益穩定的放大器, 如OPA657 最小穩定增益是7V/V,OPA847 則為12V/V.
其波特圖和普通放大器比較如下:
和單位穩定放大器相比, 其特點如下:
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定放大器有優勢.
3 TIA 應用指標分析
3.1 帶寬計算
一個用于光電流檢測的常規的跨阻型運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 的電流轉電壓的應用場合:
Figure3 TIA 用于DAC 輸出電流檢測電路
對一定的運放, 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, 當放大倍數RF 固定的時候, 其能達到的-3dB 閉環帶寬大約為:
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,導致運放的開環增益曲線和噪聲增益曲線相交處的逼近速度為-40dB/dec, 這樣就會造成運放的不穩定,也就是會引起自激. 其波特圖如下:
Figure4 未補償時的波特圖
所以要達到這樣一個穩定工作有一個前提, 需要采用CF 來作補償, 在該曲線中引入一個極點. 補償后的曲線如下:
Figure5 補償后的波特圖
所以需要讓運放穩定工作, 且達到最寬的2 階butterworth 頻響, 其CF 的取值如下:
式2
對于decompensated 的運放, 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定增益, 由于在高頻下, 其增益表達式如下:
所以對特定的decompensated 的運放, 這個值要大于其最小增益要求.
式3
在一個假定前端的寄生容性為10pF 的場合, 以下是幾個運放能達到的帶寬和增益的對應關系:
Figure6 常用TIA 增益與帶寬關系
3.2 噪聲計算
在由以上公式算出的帶寬后, 運放本身帶來的噪聲貢獻可以由如下公式算出:
式4
其中:
IEQ = 等效的輸入噪聲電流, 這個值在帶寬 F < 1/(2πRFCF)內有效.
IN = 運放本身輸入的電流噪聲,算inverting的輸入.
EN = 運放輸入的電壓噪聲.
CD = 前面的光電二極管的寄生電容.
F = 帶寬,單位為Hz.
4kT = 1.6E – 21J at T = 290°K
根據這個公式計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 實際應用中的常見問題
這里整理幾個TIA 運放在實際使用中經常遇到的問題:
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.
比如設計一個20K 增益的放大鏈路, 假設總的輸入的寄生電容很大, 10pF. 根據上面的圖可以看出,采用GBW 最寬的OPA847 進行設計, 最寬穩定帶寬只能在50M附近.
設計電路如下:
Figure7 未加補償的20k 放大電路
輸入20n 的脈寬信號, 10u 的幅度, 得到的波形如下:
Figure8 原始輸出響應
輸出有振蕩產生.
根據公式算出CF 的取值應該為0.24p. 加上后,電路如下:
Figure9 加補償后的電路
仿真得到: 可以看到, 振蕩消失,只剩過沖. 放大倍數也趨向正常.
Figure10 加補償后的脈沖響應
在高增益的場合, 有可能反饋電阻自帶的電容以及反饋走線帶來的寄生電容都可以達到這么微小的電容值. 所以需要依具體的測試結果來確定反饋是否要另外加電容.
4.2 overshoot
在光時域反射檢測光纖狀態的場合, 輸出上的overshoot 可能會對測量結果產生很大影響,這就需要盡可能地減小TIA 輸出的overshoot. 如上圖所示的結果, 約有10%的overshoot, 這對實際使用是不利的,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 原始補償的頻響
增大反饋到0.45p 時, 過沖消失.
Figure12 增大補償的電路
Figure13 增大補償后的脈沖響應
但是也可以看到, 20nS 的脈沖情況下, 其輸出有點被濾除, 增益減小了.
原因就在于輸出的帶寬變窄, 只剩21M
Figure14 增大補償后的頻響
5 總結
TIA 運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, 所以需要綜合考慮以上的各項指標.
6. 參考資料
1. Xavier Ramus “Transimpedance Considerations for High-Speed Amplifiers”
2. OPA847,OPA657 指標書