采用電壓反饋放大器 (VFA) 來設(shè)計一個優(yōu)質(zhì)的電流到電壓 (跨導(dǎo)放大器) 轉(zhuǎn)換器是一項重大的挑戰(zhàn)。本文將會探討一個用 345 MHz 的軌到軌輸出,電壓反饋放大器 (例如是美國國家半導(dǎo)體的 LMH6611)來實現(xiàn)的簡單 TIA 設(shè)計,并提供 TIA 設(shè)計所必需的信息,討論 TIA 的補償和性能結(jié)果,以及分析 TIA 輸出端的噪聲。
圖 1 所示為一個用電壓反饋放大器構(gòu)建的帶有光電二極管等效電容和運放輸入電容的 TIA 模型。
由于 LMH6611 工作在較大增益 (RF) 時,其輸入偏置電流便較低,故可容許電路工作在低光強度的條件下。運算放大器反向端上的總電容 (Cr) 包括光二極管的電容 (CPD) 和輸入電容 (CIN),Cr 在電路穩(wěn)定性方面扮演著很重要的角色,而穩(wěn)定性則取決于這個電路的噪聲增益 (NG),其定義為:
為了保持穩(wěn)定性,需要加入一個反饋電容 (CF) 與RF 并聯(lián)以便在噪聲增益函數(shù)中的 fP 處構(gòu)建一個極點。通過選用合適容值的 CF,便可使噪聲增益的斜坡變平從而獲取最佳的性能,這樣使得頻率 fP 點的噪聲增益等于運算放大器的開環(huán)增益。這個在 AOL和噪聲增益交點以上的噪聲增益斜率“平坦化”會得到一個 45 度的相位余量 (PM)。這是因為在交點處,fP 點的噪聲增益極點會貢獻一個 45 度的相位超前,因此給出了一個 45 度的相位余量 (假設(shè) fP 和fZ之間最少有 10 MHz 的距離)。
公式 3 和 4 理論上可計算出 CF 的最優(yōu)值和期望的 -3 dB 帶寬:
公式 4 指出 TIA 的 -3 dB 帶寬與反饋電阻成反比。因此,假如帶寬很重要的話,那最好的方法是在一個適度的跨導(dǎo)增益級后跟隨一個寬帶電壓增益級。
表 1 示出在不同光電二極管下的 LMH6611的測量結(jié)果,這些光電二極管在 1 kΩ 的跨導(dǎo)增益 (RF) 下有不同的電容值 (CPD)。至于 CF 和 f-3 dB 則是分別通過公式 3 和 4計算出來。
圖 3 示出對應(yīng)于表 1 中不同光電二極管的頻率響應(yīng)。當全部所需的增益都放置到TIA 級時,信噪比便得以改善,原因是由RF 產(chǎn)生的噪聲頻譜密度會隨著 RF 的平方根而增加,而且信號也會線性增加。
點和極點之間的區(qū)域被放大,而 RF 和 CT的數(shù)值越高,則噪聲增益的峰值便越早出現(xiàn),從而對整體輸出噪聲的貢獻亦越大。
通過計算 TIA 輸出處所有有貢獻的噪聲電壓之方均根值,便可得出等效的總噪聲電壓值。
總括來說,總電容 (CT) 對于 TIA 的穩(wěn)定性起了很重要的作用,CT 愈小那穩(wěn)定性便愈高,而把 CT 盡量降低有兩個方法,一是選擇合適的運算放大器,二是施加一個反向偏壓給光二極管,但這會引致有過量的電流和噪聲出現(xiàn)。本文證實從實驗中不同光二極管和補償方法得出來的測量結(jié)果與理論非常吻合。