用於測距和檢測的光多用於這些關鍵應用
，比如先進的駕駛員輔助係統（ADAS）
，光探測和測距（LiDAR）以及未來的自動駕駛汽車，以及移動式脈搏血氧儀。然而，檢測信號的可靠性在很大程度上取決於檢測電路的準確性和穩定性。

 

該電路的關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現方麵存在很多困難，其中一個原因是隱藏寄生效應。

 

 

這個特性將描述TIA的結構以及寄生效應和其他特性。然後，它推導出簡單的方程
，以幫助設計穩定的TIA，並引入適合實際實現的合適放大器。

 

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）。該電路看起來很簡單
，但隱藏的寄生效應會在不知不覺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。它看起來很簡單，但寄生效應會導致不穩定。（圖像來源：Digi-KeyElectronics）

 

撞擊光電二極管的光會產生從二極管陰極流向陽極的電流（Ipd）（圖1）。該電流也流過反饋電阻Rf。Ipd乘以Rf的值會在運算放大器的輸出Vout處產生輸出電壓。在這個電路中

，增加光亮度會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於放大器反饋環路中的電阻和電容。公式1表示圖1的理想交流和直流信號傳遞函數。

 

 

該公式表明單極點頻率響應取決於反饋元件但是，這並沒有解釋為什麼TIA有時會發生振蕩。

 

噪(zao)聲(sheng)增(zeng)益(yi)是(shi)該(gai)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)第(di)二(er)個(ge)增(zeng)益(yi)方(fang)程(cheng)。與(yu)每(mei)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)電(dian)路(lu)一(yi)樣(yang)

，放(fang)大(da)器(qi)開(kai)環(huan)增(zeng)益(yi)與(yu)噪(zao)聲(sheng)增(zeng)益(yi)相(xiang)交(jiao)的(de)波(bo)特(te)圖(tu)定(ding)義(yi)了(le)電(dian)路(lu)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。如(ru)果(guo)這(zhe)種(zhong)交(jiao)叉(cha)以(yi)20dB/十倍的閉合速率發生，則電路相位裕度大於或等於45度。如果這兩條曲線的閉合速率大於20dB/decade
，則電路相位裕度小於45度。

 

雖然穩定性理論表明0度的相位裕度會導致邊際穩定性
，但實際上推薦的係統最小值為45度。具有45度相位裕度的電路將產生23％的過衝階躍響應行為。

 

TIA噪聲增益響應

 

要yao查zha找zhao放fang大da器qi的de開kai環huan增zeng益yi曲qu線xian，請qing參can閱yue設she備bei的de數shu據ju表biao。要yao確que定ding任ren何he放fang大da器qi電dian路lu的de噪zao聲sheng增zeng益yi
，請qing在zai放fang大da器qi的de非fei反fan相xiang輸shu入ru端duan找zhao到dao電dian路lu增zeng益yi。出chu於yu本ben文wen的de目mu的de，重zhong要yao的de是shi要yao考kao慮lv電dian路lu中zhong所suo有you電dian容rong和he電dian阻zu的de影ying響xiang。考kao慮lv到dao這zhe一yi點dian，有you關guan電dian路lu的de全quan部bu細xi節jie，包bao括kuo光guang電dian二er極ji管guan結jie特te性xing和he放fang大da器qi寄ji生sheng輸shu入ru電dian容rong

，如ru圖tu2所示。

 

圖2：零反向偏置TIA電路
，以簡化模式觀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代表光產生的電流。光電二極管和應用環境定義了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材料界麵產生的耗盡區的結果。分流電阻Rsh等於零偏置光電二極管的有效電阻。這種寄生電阻是p-n矽結的結果，通常在DC時等於幾個千兆歐姆。

 

在放大器的非反相和反相輸入端有三個寄生電容。CCM是AC地的非反相和反相輸入寄生電容。對於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。

 

對於以下噪聲計算
，放大器輸入端的電容彼此並聯。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）。所有這些電容並行出現，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計算中隻有一個CCM術語。這是因為非反相輸入CCM上的節點處於AC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）和極點頻率（fp）：

 

 

跨阻放大器穩定性

 

等式3和4提供了繪製波德圖上噪聲增益曲線的工具。例如，波特圖顯示三個示例噪聲增益曲線疊加在運算放大器的開環增益上（圖3）。

 

圖圖3：疊加在運算放大器開環增益曲線上的三條噪聲增益曲線的波特圖。（圖像來源：Digi-KeyElectronics）

 

波bo特te圖tu有you助zhu於yu快kuai速su確que定ding光guang電dian二er極ji管guan係xi統tong在zai噪zao聲sheng增zeng益yi曲qu線xian與yu運yun算suan放fang大da器qi開kai環huan增zeng益yi曲qu線xian相xiang交jiao的de位wei置zhi的de穩wen定ding性xing。估gu算suan這zhe兩liang條tiao曲qu線xian的de變bian化hua率lv以yi粗cu略lve確que定ding穩wen定ding性xing。

 

表1定義了三條噪聲增益曲線的穩定性條件。對於1號噪聲增益曲線

，曲線截取放大器開環（AOL）曲線，變化率等於40dB/decade。該交叉反映了小於45度的相位裕度。相位裕度小於45度的電路略微穩定
，表現出大於23％的階躍響應過衝。當fp1頻率增加到截距頻率以上時，振蕩很可能。

 

交叉點處的Aol斜率噪聲曲線斜率

 

交叉點的變化率變化的估計相位

 

係統《BR》穩定
？1號噪聲增益曲線-20dB/

 

decade+20dB/

decadeΔ40dB/

 

decade《《45°不穩定，23％過衝2號噪聲增益曲線-20dB/

 

十年+0dB/

十年Δ20dB/

十年》》45°穩定
，

 

《23％過衝3號噪聲增益曲線-20dB/十年~0dB/《br》十年！Δ20dB/

 

十年45°穩定，

〜23％過衝

 

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

 

對於2號噪聲增益曲線，曲線在噪聲增益曲線平坦後很好地截取Aol曲線。在這種設計中，閉合速率等於20dB/decade。但是，相位裕度大於45度，從而形成非常穩定的電路。此響應的過衝率遠低於23％。隨著fp2頻率的降低，過衝值減小。

 

對於噪聲增益曲線No.3，曲線在極點頻率fp3處精確截取Aol曲線。在這種設計中，變化率等於20dB/decade。但是

，相位裕度現在等於45度。這樣可以產生穩定的電路
，具有23％的過衝。

 

在設計的這一點上
，可以估算反饋電容（Cf）的值。對於單位增益穩定運算放大器，公式5提供了有用的Cf估計值

，創建了45度電路相位裕量。

 

 

ADAS和LiDAR放大器解決方案

 

在ADAS和LiDAR應用中，傳感器正在執行位置感應活動

，要求它們快速。適用於ADAS和LiDAR係統的組件是VishaySemiconductorTEFD4300矽PIN光電二極管和ADI公司的ADA4666-2放大器（圖4）。VishayTEFD4300矽PIN光電二極管可感應可見光和近紅外輻射。這種高速光電探測器適用於位置傳感
，高速數據傳輸光電檢測，光學開關和編碼器。TEFD43000伏偏置結電容（CPD）為3.3pF，分流電阻（Rsh）為67GΩ。在該係統中

，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係統。（圖像來源：Digi-KeyElectronics）

 

對於ADA4666-2
，輸入共模電容（CCM）等於3pF，輸入差分電容（CDIFF）等於8.5pF。增益帶寬積（GBWP）等於4MHz。在該係統中，電源為5V
，放大器的輸出擺幅為1V至4V.為實現此輸出擺幅，VREF等於1V.為實現4V的最大輸出擺幅，反饋電阻（Rf））等於（VoutMax-VoutMin）/IpdMax=（4V-1V）/10μA=300k歐姆。

 

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

 

脈搏血氧儀

 

脈衝血氧儀光電感應係統的適當組件是LunaOptoelectronicsPDB-C152SM藍色增強型矽PIN光電二極管和德克薩斯州儀器OPA363放大器（圖5）。LunaPDB-C152SM藍色增強型矽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。在該係統中，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係統和LunaOptoelectronicsPDB-C152SM光電二極管。（圖像來源：Digi-KeyElectronics）

 

對於OPA363
，輸入共模電容（CCM）等於3pF，輸入差分電容（CDIFF）等於2pF。增益帶寬積（GBWP）等於7MHz。在該係統中，電源為5V
，放大器的輸出擺幅為1V至4V.為實現此輸出擺幅
，VREF等於1V.為實現4V的最大輸出擺幅
，反饋電阻（Rf）等於（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ben文wen簡jian要yao討tao論lun了le三san個ge簡jian單dan公gong式shi的de推tui導dao，以yi幫bang助zhu設she計ji人ren員yuan為wei所suo有you跨kua阻zu抗kang放fang大da器qi創chuang建jian穩wen定ding的de電dian路lu。這zhe些xie公gong式shi涉she及ji互hu阻zu抗kang放fang大da器qi的de信xin號hao和he噪zao聲sheng增zeng益yi的de推tui導dao。

 

適用於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合適器件的兩個TIA的最終設計：ADI公司的ADA4666和德州儀器的OPA363放大器。