用于測距和檢測的光多用于這些關(guān)鍵應用，比如先進(jìn)的駕駛員輔助系統（ADAS），光探測和測距（LiDAR）以及未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)，以及移動(dòng)式脈搏血氧儀。然而，檢測信號的可靠性在很大程度上取決于檢測電路的準確性和穩定性。

 

該電路的關(guān)鍵要素是跨阻放大器（TIA），它改變了低電平光電二極管電流信號為可用電壓輸出。雖然TIA不是新的，但設計人員在穩定實(shí)現方面存在很多困難，其中一個(gè)原因是隱藏寄生效應。

 

 

這個(gè)特性將描述TIA的結構以及寄生效應和其他特性。然后，它推導出簡(jiǎn)單的方程，以幫助設計穩定的TIA，并引入適合實(shí)際實(shí)現的合適放大器。

 

跨阻抗放大器信號增益

 

跨阻抗放大器電路由光電二極管組成，放大器和反饋電容/電阻對（圖1）。該電路看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但隱藏的寄生效應會(huì )在不知不覺(jué)中導致不必要的電路不穩定。

 

圖1：零反向偏置，互阻抗運算放大器電路。它看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但寄生效應會(huì )導致不穩定。（圖像來(lái)源：Digi-KeyElectronics）

 

撞擊光電二極管的光會(huì )產(chǎn)生從二極管陰極流向陽(yáng)極的電流（Ipd）（圖1）。該電流也流過(guò)反饋電阻Rf。Ipd乘以Rf的值會(huì )在運算放大器的輸出Vout處產(chǎn)生輸出電壓。在這個(gè)電路中，增加光亮度會(huì )使輸出電壓變得更大。

 

圖1中標題中的“零反向偏壓”表示光電二極管兩端的電壓為0伏。如果光電二極管兩端的反向偏壓為0伏，則漏電流或暗電流較低，與反向偏壓較大的配置相比，光電二極管結電容較高。

 

交流信號TIA電路的增益主要取決于放大器反饋環(huán)路中的電阻和電容。公式1表示圖1的理想交流和直流信號傳遞函數。

 

 

該公式表明單極點(diǎn)頻率響應取決于反饋元件但是，這并沒(méi)有解釋為什么TIA有時(shí)會(huì )發(fā)生振蕩。

 

噪聲增益是該系統中的第二個(gè)增益方程。與每個(gè)放大器電路一樣，放大器開(kāi)環(huán)增益與噪聲增益相交的波特圖定義了電路的穩定性。如果這種交叉以20dB/十倍的閉合速率發(fā)生，則電路相位裕度大于或等于45度。如果這兩條曲線(xiàn)的閉合速率大于20dB/decade，則電路相位裕度小于45度。

 

雖然穩定性理論表明0度的相位裕度會(huì )導致邊際穩定性，但實(shí)際上推薦的系統最小值為45度。具有45度相位裕度的電路將產(chǎn)生23％的過(guò)沖階躍響應行為。

 

TIA噪聲增益響應

 

要查找放大器的開(kāi)環(huán)增益曲線(xiàn)，請參閱設備的數據表。要確定任何放大器電路的噪聲增益，請在放大器的非反相輸入端找到電路增益。出于本文的目的，重要的是要考慮電路中所有電容和電阻的影響?？紤]到這一點(diǎn)，有關(guān)電路的全部細節，包括光電二極管結特性和放大器寄生輸入電容，如圖2所示。

 

圖2：零反向偏置TIA電路，以簡(jiǎn)化模式觀(guān)察光電二極管和放大器。該版本考慮了光電二極管結特性以及放大器寄生輸入電容。（圖像來(lái)源：Digi-KeyElectronics）

 

光電二極管模型具有DPD，Ipd，CPD和Rsh元素。DPD代表理想二極管，IPD代表光產(chǎn)生的電流。光電二極管和應用環(huán)境定義了IPD的最大值。光電二極管結電容CPD是由光電二極管中的p和n材料界面產(chǎn)生的耗盡區的結果。分流電阻Rsh等于零偏置光電二極管的有效電阻。這種寄生電阻是p-n硅結的結果，通常在DC時(shí)等于幾個(gè)千兆歐姆。

 

在放大器的非反相和反相輸入端有三個(gè)寄生電容。CCM是AC地的非反相和反相輸入寄生電容。對于CMOS和FET器件，這是交流接地電容的柵極和ESD單元。CDIFF是非反相和反相輸入晶體管柵極之間的寄生電容。

 

對于以下噪聲計算，放大器輸入端的電容彼此并聯(lián)。Cin中包含的元件是光電二極管的結電容，運算放大器共模反相輸入電容（CCM）和運算放大器差分輸入電容（CDIFF）。所有這些電容并行出現，因此加在一起以定義Cin值。Cin表示運算放大器輸入端的電容組合為CPD+CDIFF+CCM。請注意，Cin計算中只有一個(gè)CCM術(shù)語(yǔ)。這是因為非反相輸入CCM上的節點(diǎn)處于A(yíng)C等效值。

 

等式2表示圖2中的噪聲增益傳遞函數（根據運算放大器的非反相輸入計算）。p》

 

 

根據公式2，通過(guò)公式3和方程4很容易識別噪聲增益傳遞函數中的零頻率（fz）和極點(diǎn)頻率（fp）：

 

 

跨阻放大器穩定性

 

等式3和4提供了繪制波德圖上噪聲增益曲線(xiàn)的工具。例如，波特圖顯示三個(gè)示例噪聲增益曲線(xiàn)疊加在運算放大器的開(kāi)環(huán)增益上（圖3）。

 

圖圖3：疊加在運算放大器開(kāi)環(huán)增益曲線(xiàn)上的三條噪聲增益曲線(xiàn)的波特圖。（圖像來(lái)源：Digi-KeyElectronics）

 

波特圖有助于快速確定光電二極管系統在噪聲增益曲線(xiàn)與運算放大器開(kāi)環(huán)增益曲線(xiàn)相交的位置的穩定性。估算這兩條曲線(xiàn)的變化率以粗略確定穩定性。

 

表1定義了三條噪聲增益曲線(xiàn)的穩定性條件。對于1號噪聲增益曲線(xiàn)，曲線(xiàn)截取放大器開(kāi)環(huán)（AOL）曲線(xiàn)，變化率等于40dB/decade。該交叉反映了小于45度的相位裕度。相位裕度小于45度的電路略微穩定，表現出大于23％的階躍響應過(guò)沖。當fp1頻率增加到截距頻率以上時(shí)，振蕩很可能。

 

交叉點(diǎn)處的Aol斜率噪聲曲線(xiàn)斜率

 

交叉點(diǎn)的變化率變化的估計相位

 

系統《BR》穩定？1號噪聲增益曲線(xiàn)-20dB/

 

decade+20dB/

decadeΔ40dB/

 

decade《《45°不穩定，23％過(guò)沖2號噪聲增益曲線(xiàn)-20dB/

 

十年+0dB/

十年Δ20dB/

十年》》45°穩定，

 

《23％過(guò)沖3號噪聲增益曲線(xiàn)-20dB/十年~0dB/《br》十年！Δ20dB/

 

十年45°穩定，

?23％過(guò)沖

 

表1：穩定性的波特圖分析（圖像來(lái)源：Digi-KeyElectronics）

 

對于2號噪聲增益曲線(xiàn)，曲線(xiàn)在噪聲增益曲線(xiàn)平坦后很好地截取Aol曲線(xiàn)。在這種設計中，閉合速率等于20dB/decade。但是，相位裕度大于45度，從而形成非常穩定的電路。此響應的過(guò)沖率遠低于23％。隨著(zhù)fp2頻率的降低，過(guò)沖值減小。

 

對于噪聲增益曲線(xiàn)No.3，曲線(xiàn)在極點(diǎn)頻率fp3處精確截取Aol曲線(xiàn)。在這種設計中，變化率等于20dB/decade。但是，相位裕度現在等于45度。這樣可以產(chǎn)生穩定的電路，具有23％的過(guò)沖。

 

在設計的這一點(diǎn)上，可以估算反饋電容（Cf）的值。對于單位增益穩定運算放大器，公式5提供了有用的Cf估計值，創(chuàng )建了45度電路相位裕量。

 

 

ADAS和LiDAR放大器解決方案

 

在A(yíng)DAS和LiDAR應用中，傳感器正在執行位置感應活動(dòng)，要求它們快速。適用于A(yíng)DAS和LiDAR系統的組件是VishaySemiconductorTEFD4300硅PIN光電二極管和ADI公司的ADA4666-2放大器（圖4）。VishayTEFD4300硅PIN光電二極管可感應可見(jiàn)光和近紅外輻射。這種高速光電探測器適用于位置傳感，高速數據傳輸光電檢測，光學(xué)開(kāi)關(guān)和編碼器。TEFD43000伏偏置結電容（CPD）為3.3pF，分流電阻（Rsh）為67GΩ。在該系統中，最大預期輸出電流光電二極管電流為10μA（IpdMax）。

 

圖4：使用ADI公司ADA4666-2放大器和VishaySemiconductorTEFD4300光電二極管的ADAS和LiDARTIA系統。（圖像來(lái)源：Digi-KeyElectronics）

 

對于A(yíng)DA4666-2，輸入共模電容（CCM）等于3pF，輸入差分電容（CDIFF）等于8.5pF。增益帶寬積（GBWP）等于4MHz。在該系統中，電源為5V，放大器的輸出擺幅為1V至4V.為實(shí)現此輸出擺幅，VREF等于1V.為實(shí)現4V的最大輸出擺幅，反饋電阻（Rf））等于（VoutMax-VoutMin）/IpdMax=（4V-1V）/10μA=300k歐姆。

 

從上面的值，Cin=CCM+CDIFF+CPD=14.8pF。應用公式5，Cf~1.4pF。

 

脈搏血氧儀

 

脈沖血氧儀光電感應系統的適當組件是LunaOptoelectronicsPDB-C152SM藍色增強型硅PIN光電二極管和德克薩斯州儀器OPA363放大器（圖5）。LunaPDB-C152SM藍色增強型硅PIN光電二極管是一款低成本，高速光電探測器，最大光譜響應為950nm。PDB-C152SM0V偏置結電容（CPD）為15pF，分流電阻（Rsh）為500Mohm。在該系統中，最大預期輸出光電二極管電流為10μA（IpdMax）。

 

圖5：使用德州儀器OPA363放大器的脈搏血氧儀TIA系統和LunaOptoelectronicsPDB-C152SM光電二極管。（圖像來(lái)源：Digi-KeyElectronics）

 

對于OPA363，輸入共模電容（CCM）等于3pF，輸入差分電容（CDIFF）等于2pF。增益帶寬積（GBWP）等于7MHz。在該系統中，電源為5V，放大器的輸出擺幅為1V至4V.為實(shí)現此輸出擺幅，VREF等于1V.為實(shí)現4V的最大輸出擺幅，反饋電阻（Rf）等于（VoutMax-VoutMin）/IpdMax=（4V-1V）/10μA=300kohms。

 

從值Cin=CCM+CDIFF+CPD=20pF。應用公式5，Cf~1.23pF。

 

結論

 

本文簡(jiǎn)要討論了三個(gè)簡(jiǎn)單公式的推導，以幫助設計人員為所有跨阻抗放大器創(chuàng )建穩定的電路。這些公式涉及互阻抗放大器的信號和噪聲增益的推導。

 

適用于TIA的放大器具有低輸入偏置電流，低輸入失調電壓和充足的頻率帶寬。本文介紹了使用兩個(gè)合適器件的兩個(gè)TIA的最終設計：ADI公司的ADA4666和德州儀器的OPA363放大器。