光敏應(yīng)用的首要工作是讓跨阻抗放大器電路擁有良好的穩(wěn)定性。WEBENCH設(shè)計器工具 TI 開發(fā)人員致力于為客戶提供擁有 60°相位裕量的光敏設(shè)計，也即約 8.7% 的階躍輸入信號過沖。

WEBENCH設(shè)計器工具擁有強大的軟件算法和可視界面，可在數(shù)秒內(nèi)生成完整的電源、照明和傳感檢測應(yīng)用。這種功能，可讓用戶在進行設(shè)計以前進行系統(tǒng)和供應(yīng)鏈層面的價值比較。WEBENCH 環(huán)境中內(nèi)嵌了眾多工具，其中之一便是“傳感設(shè)計器”的光電二極管部分。本文將專門為您介紹 WEBENCH 傳感設(shè)計器的嵌入式光電二極管電路穩(wěn)定性。

忽略穩(wěn)定性的后果

很多光敏應(yīng)用均使用光電二極管前置放大器 (preamp) 電路。這些電路將來自 LED 或者光源的光信息轉(zhuǎn)換為有效電壓。使用零偏置電壓的精密光電導(dǎo)電路(photoZB) 以及負或者反向偏置電壓的高速光電導(dǎo)電路 (photoRB) 時，內(nèi)嵌電路相位裕量便至關(guān)重要。一些使用光電二極管前置放大器的精密 photoZB 應(yīng)用包括 CT 掃描儀、血液分析儀、煙霧探測器和位置傳感器。這些精密電路要求電壓反饋放大器擁有低輸入偏置電流、低偏移電壓和低噪聲。利用檢測數(shù)字光信號的低精密度 photoRB 應(yīng)用包括條形碼掃描儀和光纖接收機。這些高速應(yīng)用電路要求電壓反饋放大器擁有更大的帶寬。

設(shè)計光電二極管前置放大器電路的最簡單方法是將光電二極管放置于放大器輸入之間，非反向輸入接地，并在反饋環(huán)路中放置一個電阻器。這樣，您便可以在有或者沒有偏置電壓的情況下對光敏光電二極管進行配置。在精密 photoZB 結(jié)構(gòu)（請參見圖 1a）中，輸入放大器需要有一個低輸入偏置電流和低偏移電壓的 FET 或者 CMOS 輸入結(jié)構(gòu)。在該電路中，光電二極管陰極連接放大器反向輸入，而光電二極管陽極接地。該電路的光電二極管傳感器為零偏置。就光電二極管的陽極和陰極而言，注意電流 I_PH 的方向。

圖 1 光電二極管預(yù)放大結(jié)構(gòu)

如果數(shù)字速度和快速響應(yīng)時間很重要，則 photoRB 結(jié)構(gòu)（請參見圖 1b）使用反向偏置電壓的光電二極管。這種反向偏置電壓在光電二極管形成漏電流。但是，相比 photoZB 結(jié)構(gòu)，光電二極管的寄生電容相當(dāng)?shù)牡?。光電二極管電容的減少，增加了電路的帶寬。反向偏置光電二極管前置放大器配置使用的放大器，可以使用 FET、CMOS 或者雙極輸入；但是，放大器的帶寬越高越好。

不管是哪種結(jié)構(gòu)，光電二極管的入射光都會使電流 (I_PH) 經(jīng)二極管從陰極流至陽極。該電流還會流經(jīng)反饋電阻器 R_F，從而引起電阻器出現(xiàn)壓降。放大器輸入級使放大器反向輸入保持在接地電平左右。

圖 1a 和 1b 所示簡易解決方案通常不會成功。圖 2 顯示了一個階躍輸入光信號如何在放大器輸出端 V_OUT 產(chǎn)生可怕的振鈴。如果幸運的話，這種光敏電路也可能不會出現(xiàn)振鈴，但我們最好是理解并對這種穩(wěn)定性問題進行補償。

圖 2 未經(jīng)補償?shù)?photoZB 光電二極管電路

圖 3 中，在反饋環(huán)路中添加的電容 C_F 改變了電路的整體相位裕量，并消除了輸出信號的振蕩。但是，由于 C_F 值設(shè)置過高，導(dǎo)致這種簡易解決方案過渡補償，從而使放大器輸出傳輸過慢。

圖 3 過渡補償?shù)墓怆姸O管電路

在photoZB應(yīng)用中，圖 3 所示過渡補償或許能夠接受，但相比適當(dāng)補償?shù)碾娐?，這種電路的功耗和噪聲更高。至于 photoRB 應(yīng)用，這種電路響應(yīng)則不可接受，因為它沒有產(chǎn)生較好的方波響應(yīng)。由于 photoRB 電路依賴于無噪數(shù)字方波信號，因此我們需要更多地關(guān)注圖 2 和 3 所示結(jié)構(gòu)，以獲得正確的補償。

光電二極管補償作用因素

該跨阻抗放大器的目標(biāo)相位裕量為 60°。就階躍響應(yīng)而言，這種相位裕量可實現(xiàn)8.7%的過沖（請參見圖 4）。一些設(shè)計人員會說，這種雙極系統(tǒng)正確的相位裕量應(yīng)為 45°。如圖 4 所示，45°相位裕量電路的階躍響應(yīng)為 22.5%。

圖 4 過沖響應(yīng)與相位裕量的關(guān)系

理論上而言，兩種相位裕量都可以實現(xiàn)穩(wěn)定的電路設(shè)計；但是，我們還沒有考慮到放大器帶寬、電阻、電容和雜散電容的變化。這些變化都會對 45°相位裕量的電路產(chǎn)生極大的不利影響。

圖 3 所示簡易電路的正確補償，要求我們清楚地了解電容和電阻作用因素。圖 5 顯示了一個系統(tǒng)模型，其包括一個反饋網(wǎng)絡(luò)（R_F 和 C_F）和一個運算放大器。后面的討論將為您介紹，所有電容組成部分結(jié)合在一起以后，如何對電路的頻率響應(yīng)產(chǎn)生直接的影響。在安裝硬件或者進行手動計算以前，我們可以首先使用WEBENCH傳感器設(shè)計工具來生成良好系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計。

圖 5光電探測器電路的系統(tǒng)模型

圖 5 所示雙極系統(tǒng)電路的傳輸函數(shù)為：

其中 β 為噪聲增益的倒數(shù)，即：

Z_IN 為輸入網(wǎng)絡(luò)阻抗，即：

Z_F 為反饋網(wǎng)絡(luò)阻抗，即：

運用代數(shù)計算方法得到系統(tǒng)極點頻率 f_p 和系統(tǒng)零頻率 f_z 的方程式分別為：

圖 6 以圖形的方式顯示了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。該圖中，f_i 為反饋系統(tǒng)（1/β）和放大器開環(huán)增益 (A_OL) 之間的截止頻率。頻率 f_BW 為放大器的增益帶寬積。該系統(tǒng)中，DC 增益 G1 由電阻器 R_F 和 R_SH 決定。注意，反饋電阻 (R_F) 在第二項的分子中，而輸入電阻 (R_SH) 在分母中。該系統(tǒng)的高頻增益 G2 依賴于系統(tǒng)的電容。請注意，第二項的分子包含輸入電容的和，而分母則包含電路的反饋電容(C_F)。

圖 6 光電二極管電路的頻率響應(yīng)

穩(wěn)定性設(shè)計原則

極點頻率 (f_p) 和 1/β 和 A_OL 之間截止頻率的分布情況，決定這種電路的穩(wěn)定性。反饋曲線和放大器開增益曲線相交的點，決定了電路的穩(wěn)定性。特別是，f_i 的相位裕量決定電路所產(chǎn)生的振鈴或者過沖的類型和大小。例如，如果 f_p 等于 f_i，則電路相位裕量為 45°。45° 相位裕量在方波輸入信號上產(chǎn)生 ~22.5% 的過沖。如果電路的相位裕量等于 ~60°，則該極的角頻率出現(xiàn)在放大器 A_OL 曲線交叉之前（請參見圖 6）。如果 f_p 的角頻率低于 A_OL 截止頻率，則設(shè)計擁有 60° 的相位裕量是可能的。60° 相位裕量得到 ~8.7% 的方波輸入信號過沖。

WEBENCH實施

PhotoRB 檢測網(wǎng)絡(luò)的 WEBENCH 實施包括為理想60° 相位裕量選擇正確的反饋電容器 (C_F)，選擇正確的放大器，并遵守電路的 ADC 建議。WEBENCH 傳感器設(shè)計工具提供一個工作電路，以及一塊可以買到的、沒有安裝組件的印制電路板。圖 7 顯示了 WEBENCH photoRB 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖 7 photoRB 應(yīng)用電路的 WEBBENCH 實施

結(jié)論

要想設(shè)計一個擁有良好穩(wěn)定性的光敏電路，您需要遵循一些方法。WEBENCH傳感器設(shè)計工具功能強大，可以為您提供擁有穩(wěn)定 60° 相位裕量的電路。

參考文獻

1、《跨阻抗放大器噪聲問題》，作者：Bonnie C. Baker，（2008 年 10 月 2 日），發(fā)表于《EDN》（在線版），地址：http://www.edn.com。

2、《跨阻抗放大器穩(wěn)定性是光敏應(yīng)用的關(guān)鍵》，作者：Bonnie C. Baker，（2008年9月4日），發(fā)表于《EDN》（在線版），地址：http://www.edn.com。

3、《利用集成光電二極管/運算放大器提高光敏性能》，作者：Bonnie C. Baker，1996年6月1日發(fā)表于《加拿大電子》。

4、《光電二極管放大器》，作者：Jerald G. Graeme，發(fā)表于1996年《Boston: McGraw-Hill》。

5、《跨阻抗放大器的理解與應(yīng)用（第1部分，共2部分）》，作者：David Westerman，（2007年8月8日），發(fā)表于《EE時代》（在線版），地址：http://eetimes.com。

6、《跨阻抗放大器的理解與應(yīng)用（第2部分，共2部分）》，作者：David Westerman，（2007年8月10日），發(fā)表于《EE時代》（在線版），地址：http://eetimes.com。

相關(guān)網(wǎng)站

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器：www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/dataconverters/data_converter.page

WEBENCH 設(shè)計中心：www.ti.com.cn/webench

WEBENCH Designer：www.ti.com/ww/en/analog/webench/sensors/index.shtml

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