放大器和光电二极管寄生电容如何对电路的稳定性产生重大影响

在信号频率响应中，直流跨阻放大器的讨论是了解交流信号响应的良好开端。但这还不是全部。您可能希望通过跨阻放大器电路（TIA）的信号稳定。

回到我们的标准TIA电路（图1）。

 

图1.无寄生电容的标准高精度TIA电路。

我知道这是一个光电流转换器，但现在我们有一个输出电压信号的放大器，电路稳定性的确定取决于电压域。图1中的电路可能不稳定，但凭借您在本博客中新学到的设计专业知识，您将了解TIA游戏中的玩家。TIA稳定性的关键在于放大器和反馈元件寄生效应。

放大器和反馈电路的寄生效应

从放大器电路开始，该电路中隐藏着四个额外的寄生电容;C射频， CFMN， C厘米-和 C差异（图2）。

 

图2.该图明确绘制了放大器电路的寄生电容。

寄生放大器电容为 CFMN， C厘米-和 C差异.CFMN和 C厘米-是输入共模放大器电容。你会注意到 CFMN从接地连接到放大器中的虚拟接地偏置。因此，我们将忽略CFMN并调用 C厘米-，简单地 C厘米.C差异肯定在电路中，它实际上与C并联厘米。这一事实方便地使放大器的输入电容等于C厘米 + C差异，我们称之为C放大 器。

在图2的顶部，有一个寄生电容（C射频） 反馈电阻两端，RF.该电容是分立电阻两端的寄生电容加上布局中PCB寄生并联电容的结果。通常，所有这些寄生电容的累积值最多为几皮法。如果PCB设计人员意识到这个问题，仔细的布局可以将该电容降低到1pF以下。您可能会认为这个小电容可以忽略不计，直到我们计算反馈电容（CF） 值，但让我们把这个最终决定推迟到我们的设计工作结束。图2中的放大器具有三个寄生电容C厘米-， C差异和 CFMN.

图 2 中的定义或组件标签包括：

CF= TIA 反馈电容。

RF= TIA 反馈电阻。

C射频= TIA 反馈电阻寄生电容。

C厘米-， CFMN= 共模放大器电容。

C差异= 差分放大器电容。

一个老（jw） = 放大器开环增益。

修改的变量：

C厘米- = C厘米

C放大 器 = C厘米 + C差异

值得注意的是，C放大 器与光电二极管 （PD） 并联。简而言之，如果光电二极管有任何寄生电容，放大器的电容会增加光电二极管的电容。稍后我们将了解这如何影响电路稳定性。

光电二极管寄生效应

光电二极管接收光信号。在该电路中，光电二极管上的入射光产生电流（I帕金森） 流过二极管从阴极流向阳极。放大器的反相输入阻抗极高，使光电二极管产生的电流流过反馈电阻，RF （图3）。

 

图3.光电二极管寄生效应包括结电容（C帕金森）和结电阻（R帕金森）。

在图3中，寄生元件的定义是：

PD = 理想光电二极管。

我帕金森= 照亮光电二极管上的光产生的电流。

C帕金森= 光电二极管寄生电容。

R帕金森= 光电二极管寄生并联电阻。

当光线照射到光电二极管上时，电流（I帕金森） 从二极管的阴极传导到阳极。例如，使用 RF和 CF等于 1MW 和 2.5pF（含）和 I帕金森等于直流 （1mA），信号传递函数的极点等于 1/（2p RF x CF） 或 63.7kHz 和放大器输出电压 V外，等于 I帕金森Y SF或+1V。R 的减少F将此极点移动到更高的频率值，将输出电压移动到较低的电压。

该跨阻放大器的总体情况包括所有元件及其寄生电容和电阻（图 4）。

 

图4.跨阻放大器的完整电路图，包括寄生电容和电阻。

在图4中，放大器的输入偏置电流必须低于最小光电二极管电流。使用输入偏置电流规格小于10pA的FET或CMOS输入放大器（如MAX44260）是经验法则，典型输入偏置电流规格为0.01pA。

特定放大器的失调电压误差可能是也可能不是问题，具体取决于应用电路。具有高失调电压（10毫伏范围）的放大器会极大地损害电路的线性度和动态范围。

在精密应用中，放大器在光电二极管两端的失调电压会产生与照射到光电二极管的光无关的电流，从而影响电路的低光输入线性度。

失调电压也可能影响 TIA 的动态范围。例如，图1中的电路设计的电压增益为（1 + RF， 1帕金森）。失调电压乘以该增益因数传递到放大器的输出。在本例中，射频等于 1MW 和 R帕金森等于1GW，等于1.001V/V。失调电压为10mV的放大器在输出端为10.01mV时具有恒定的直流误差。在5V系统中，10.01mV使动态范围减小了约0.2%。图4所示，MAX44260的最大输入失调电压等于50mV，动态范围误差为0.001%。

我将用 TIA 波特图（图 5）来取笑您，现在很少或根本没有解释。在此图中，您将看到这些寄生元件弹出，这将使我们进入稳定的TIA电路。在下一篇博客中见，它将深入探讨这个预兆图的细节。

 

图5.闭环增益（1/β）和放大器开环增益（A老） 为 20dB/十倍频程，这决定了电路稳定性。

审核编辑：郭婷