互阻放大器的稳定工作及其评估
式5包含两个未知数:交点频率fi和反馈电容CF.为了求出CF,需要找到另一方程式;第二个方程式为:AVOL(jωi) = 1/β(jωi)。由此产生一组复杂的方程式。利用作图方式得到CF.观察图7,两条曲线斜率是20dB/dec,因此,两条曲线与横轴形成一个近似的等腰三角形。由此,可以求出交点频率,是其它两个顶点的平均。由于频响曲线为对数形式,可以得到:
这里:
其中,fGBWP = 运算放大器的单位增益带宽,考虑到单位增益带宽的变化,选择fGBWP为运放数据手册规定参数的60%.
对于没有补偿的运算放大器,假设fGBWP等于-20dB AVOL(jωi)与0dB X轴交点频率,单位增益频带的60%.
经过代数运算,式(6)可改写为:
式8所示交点频率fi等于单位增益带宽fGBWP与β(jω)极点频率fF的几何平均。用式7替代fF,得到:
式5和式9的平方相等,得到:
由上述方程可以很容易计算出CF值:
计算得到的反馈电容CF适用于大尺寸和小尺寸光电二极管。
设计实例
TIA用于多种领域,例如:3D眼镜、光盘播放器、脉搏血氧仪、IR遥控器、环境光传感器、夜视设备、激光测距等。
这里,我们重点考虑一个雨量监测器的应用,目前,中高档汽车已经安装了雨量传感器,根据降雨强度自动调节雨刷的速度。通常,光学雨量传感器采用的是内反射工作原理。传感器一般安装在司机的后视镜上。红外光激光器发射按照一定角度向挡风玻璃发射一束光脉冲。如果玻璃是干燥的,则大部分信号被反射到光电二极管探测器。如果玻璃已经浸湿,部分光线被折射,传感器接收到的反射信号较弱,将开启雨刷器。根据雨水积聚速度设置雨刷速度。
通过检测雨量的变化调整雨刷速度,为了抑制低频可见光信号,雨量传感器工作在100Hz以上的脉冲频率。可按照下述规格考虑雨量传感器的TIA设计:
IR光电二极管脉冲峰值电流为:50nA至10μA,取决于反射光。
导通时间= 5%占空比= 5%RF = 100kΩ选用BPW46光电二级管表1列出了部分低噪声、CMOS输入运算放大器,非常适合不同领域的TIA应用。本设计示例中,我们选择MAX9636运算放大器。MAX9636同样适合其它电池供电的便携设备,具有较好的低静态电流、低噪声性能。对于宽带应用,可选择MAX4475、MAX4230等运算放大器。
表1. 适合用作互阻放大器的Maxim运放
把相关参数带入式10,估算反馈电容:
Ci= 光电而二极管结电容(70pF)+ MAX9636输入电容(2pF)
= 72pF
fGBWP = 0.9MHz.
运算放大器的增益带宽积并未经过调理,变化范围可能达到±40%.因此,即使数据手册给出了单位增益带宽典型值为1.5MHz,也要在计算中采用60%的单位增益带宽作为典型值。
其中,RF = 100kΩ,计算得到CF = 15.6pF,最接近的标准电容为18 pF.
图8所示为图1-图3电路的TIA输出,未加任何反馈电容补偿。正如预期的那样,没有相位补偿电容的条件下能够看到自激。如果增加电容:CF = 10pF,则消除振铃现象,但仍可看到过冲,如图9所示。当把反馈电容增加到18pF时,从图10可以看出,完全消除了振铃或振荡。图11显示了小信号输入(50nA脉冲电流输入)情况下的响应。
图 8. MAX9636输出,RF = 100kΩ, 没有安装CF, 输入10μA电流脉冲
图9. MAX9636输出,RF = 100kΩ,CF = 10pF,输入为10μA脉冲电流
图10. MAX9636输出,RF = 100kΩ,CF = 18pF,Ci = 72pF,输入为10μA脉冲电流
图11. MAX9636输出,RF = 100kΩ,CF = 18pF,Ci = 72pF,输入为50nA脉冲电流。波形为交流耦合。
本文介绍了TIA电路补偿元件的计算和稳定性分析,实验室测试结果很好地验证了上述分析。
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