互阻放大器(TIA)通常用於將傳感器(如：光電二極管)deshuchudianliuzhuanhuanchengdianyaxinhao

，yinwei
，youxiedianluhuoyiqizhinengjieshoudianyashuru。jiangyigeyunsuanfangdaqideshuchutongguoyigefankuidianzulianjiedaofanxiangshuru
，zekededaozuijiandande TIA。然而，即使如此簡單的 TIA 電路也需要在噪聲增益、失調電壓、帶寬和穩定性方麵進行仔細權衡。顯然，TIA 的穩定性是確保工作正常
、性能可靠的基礎。本應用筆記介紹了評估穩定性的經驗計算

，並討論了如何調整相位補償反饋電容。

 

產生自激振蕩的原因

圖 1 至圖 3 所示為基本的 TIA 電路
，圖 1 常用於雙電源供電係統；圖 2 是該電路在單電源供電係統中的應用，進行了少許修改
，R1 和 R2 組成的電阻分壓器提供一個偏壓，在沒有光照(隻有一個很小的暗電流流過光電二極管)的de條tiao件jian下xia確que保bao運yun放fang的de輸shu出chu節jie點dian電dian壓ya高gao於yu下xia限xian指zhi標biao，使shi運yun算suan放fang大da器qi輸shu出chu級ji工gong作zuo在zai線xian性xing區qu域yu。該gai偏pian置zhi電dian壓ya改gai善shan了le光guang照zhao較jiao弱ruo條tiao件jian下xia的de光guang信xin號hao檢jian測ce和he響xiang應ying速su度du。但dan是shi，必bi須xu將jiang IN+引腳的偏壓保持在一個較小數值。否則，光電二極管的反向漏電流可能降低線性度和整個溫度範圍的失調漂移。有些應用中采用圖 3 所suo示shi電dian路lu，光guang電dian二er極ji管guan跨kua接jie在zai運yun算suan放fang大da器qi的de輸shu入ru端duan。該gai電dian路lu可ke以yi避bi免mian光guang電dian二er極ji管guan的de反fan向xiang偏pian壓ya，隻zhi是shi需xu要yao一yi個ge額e外wai的de緩huan衝chong參can考kao。緩huan衝chong器qi必bi須xu具ju有you足zu夠gou快kuai的de響xiang應ying速su度du，以yi吸xi收shou必bi要yao的de光guang電dian二er極ji管guan電dian流liu，這zhe意yi味wei著zhe放fang大da器qi A1 必須具備與放大器 A2 相同的響應速度。

如同任何帶反饋的運算放大器電路，上述電路也可以劃分成開環放大器、AVOL、由電阻和二極管組成的反饋網絡。圖 4 所示為圖 1- 圖 3 中光電二極管的等效電路。¹對於大多數光電二極管，RSERIES = 0 和 RSHUNT = 近似無限大。因此，簡化模型為理想電流源與結電容並聯，我們將利用這種簡化的光電二極管模型進行後續的穩定性分析。

 

 

圖 4. 光電二極管等效電路：IP = 光電流；RSHUNT = 二極管結電阻；CJ = 結電容
；RS = 串聯電阻

 

為了理解圖 1- 圖 3 電路產生振蕩的可能性，最好畫出開環增益的頻響曲線以及反饋係數。圖 5 所示為運算放大器的開環增益響應，增益從直流到主極點頻率保持穩定。此後，每十倍頻程降低 20dB，直到第二個極點。利用數學公式，單極點頻響可以表示為：

 

 

其中：

AVOL = 直流開環增益

AVOL(jω) = 開環增益頻響，ω

ωPD = 主極點頻率，弧度 / 秒

 

利用光電二極管的簡化等效電路，反饋網絡隻是一個反饋電阻(RF)
、總輸入電容 Ci (光電二極管結電容與運算放大器輸入電容)共同構成的單極點 RC 濾波器。反饋係數為：

 

 

因此，反饋係數的倒數是：

 

 

圖 5 為 1/β(jω)頻響曲線圖
，低頻段曲線保持在穩定的單位增益，為單位增益電阻反饋。從角頻率 fF 開始，頻響曲線以 20dB/dec 上升。

 

 

圖 5. 開環增益(AVOL(jω))、反饋係數的倒數(1/β(jω))隨頻率的變化。兩條曲線閉合的速率決定了發生振蕩 / 自激的可能性

 

由 Barkhausen 穩定性定律可知
，當閉環 TIA 電路沒有足夠的相位裕量
，使得 Aβ ≥ 1 時，可能產生自激。因此，頻響曲線 AVOL(jω)與 1/β(jω)曲線的交點即為發生自激的臨界點。該交點頻率的相位裕量由兩條曲線 AVOL(jω)和 1/β(jω)的接近速度確定。如果兩條頻響曲線靠近的速率是 40dB，如圖 5 所示，電路將出現不穩定。也可以通過另一種直觀方式理解這一點，在較低頻率時，反饋信號的相移就達到了 180 度，使負反饋極性反轉，變成了正反饋。隨著頻率提高，進入 AVOL 的 -20dB/dec 衰減區時，運算放大器主極點增加了 90 度相移。同樣
，反饋網絡則會引入額外的 90 度相移
，從而在 Aβ = 1 處產生大約 180 度相移。如果相移達到 180 度
，則會發生自激振蕩。如果相移接近 180 度，則會產生明顯的振鈴。任何情況下，都可通過相位補償電路使電路達到穩定。

 

反饋電容計算

通常是在反饋電阻上並聯一個電容，提供必要的補償
，保證足夠的相位裕量(圖 6)。選擇最佳的補償反饋電容非常關鍵。增加相位補償電容後，用 RF || CF 替換式 2 中的 ZF，反饋係數變為：

 

 

比較式 2 和式 4，可以看出：電容 CF 除了修改極點外，還在反饋係數中引入一個零點。零點用於補償反饋網絡引入的相移，如圖 7 所示。如果反饋電容過大，過度補償相移，閉合速率降至每十倍頻程 20dB (相位裕量為 90 度)；過度的補償同時也降低了 TIA 有(you)效(xiao)帶(dai)寬(kuan)，即(ji)使(shi)帶(dai)寬(kuan)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)低(di)頻(pin)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)應(ying)用(yong)，但(dan)高(gao)頻(pin)或(huo)低(di)占(zhan)空(kong)比(bi)脈(mai)衝(chong)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)電(dian)路(lu)將(jiang)會(hui)受(shou)到(dao)帶(dai)寬(kuan)製(zhi)約(yue)。在(zai)這(zhe)類(lei)應(ying)用(yong)中(zhong)
，需(xu)要(yao)找(zhao)到(dao)反(fan)饋(kui)補(bu)償(chang)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)最(zui)小(xiao)值(zhi)，CF
，從而消除振蕩並盡量降低振鈴。當然，選擇略大一些的補償電容非常有利於 TIA 電路設計，能夠提供足夠的保護帶。在確保足夠帶寬的前提下，推薦使用略大的電容進行補償。

 

 

圖 6. 利用相位補償電容 CF 提高穩定性

 

圖 7. 增加相位補償電容 CF 後的相頻特性

 

一種比較好的補償方案是在 AVOL(jω)和 1/β(jω)曲線交點處引入 45 度的相位裕量。引入該相位裕量需要優化選擇 CF 值
，在反饋係數β(jω)位於 Aβ = 1 頻點處增加零點，如圖 7 所示。交點頻率為：

 

 

式 5 包含兩個未知數：交點頻率 fi 和反饋電容 CF。為了求出 CF
，需要找到另一方程式；第二個方程式為：AVOL(jωi) = 1/β(jωi)。由此產生一組複雜的方程式。利用作圖方式得到 CF。²觀察圖 7，兩條曲線斜率是 20dB/dec，因此，兩條曲線與橫軸形成一個近似的等腰三角形。由此
，可以求出交點頻率 fi，是其它兩個頂點的平均。由於頻響曲線為對數形式，可以得到：

 

 

這裏：

 

 

其中，fGBWP = 運算放大器的單位增益帶寬，考慮到單位增益帶寬的變化

，選擇 fGBWP 為運放數據手冊規定參數的 60%。

 

對於沒有補償的運算放大器，假設 fGBWP 等於 -20dB AVOL(jωi)與 0dB X 軸交點頻率，單位增益頻帶的 60％。

 

經過代數運算，式 6 可改寫為：

 

 

式 8 所示交點頻率 fi 等於單位增益帶寬 fGBWP 與β(jω)極點頻率 fF 的幾何平均。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計算出 CF 值：

 

 

計算得到的反饋電容 CF 適用於大尺寸和小尺寸光電二極管。

 

TIA 用於多種領域，例如：3D 眼鏡
、光盤播放器、脈搏血氧儀、IR 遙控器、環境光傳感器、夜視設備、激光測距等。

 

這(zhe)裏(li)，我(wo)們(men)重(zhong)點(dian)考(kao)慮(lv)一(yi)個(ge)雨(yu)量(liang)監(jian)測(ce)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)
，目(mu)前(qian)

，中(zhong)高(gao)檔(dang)汽(qi)車(che)已(yi)經(jing)安(an)裝(zhuang)了(le)雨(yu)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)，根(gen)據(ju)降(jiang)雨(yu)強(qiang)度(du)自(zi)動(dong)調(tiao)節(jie)雨(yu)刷(shua)的(de)速(su)度(du)。通(tong)常(chang)
，光(guang)學(xue)雨(yu)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)內(nei)反(fan)射(she)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)。傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)般(ban)安(an)裝(zhuang)在(zai)司(si)機(ji)的(de)後(hou)視(shi)鏡(jing)上(shang)。紅(hong)外(wai)光(guang)激(ji)光(guang)器(qi)發(fa)射(she)按(an)照(zhao)一(yi)定(ding)角(jiao)度(du)向(xiang)擋(dang)風(feng)玻(bo)璃(li)發(fa)射(she)一(yi)束(shu)光(guang)脈(mai)衝(chong)。如(ru)果(guo)玻(bo)璃(li)是(shi)幹(gan)燥(zao)的(de)，則(ze)大(da)部(bu)分(fen)信(xin)號(hao)被(bei)反(fan)射(she)到(dao)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)探(tan)測(ce)器(qi)。如(ru)果(guo)玻(bo)璃(li)已(yi)經(jing)浸(jin)濕(shi)，部(bu)分(fen)光(guang)線(xian)被(bei)折(zhe)射(she)，傳(chuan)感(gan)器(qi)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)反(fan)射(she)信(xin)號(hao)較(jiao)弱(ruo)，將(jiang)開(kai)啟(qi)雨(yu)刷(shua)器(qi)。根(gen)據(ju)雨(yu)水(shui)積(ji)聚(ju)速(su)度(du)設(she)置(zhi)雨(yu)刷(shua)速(su)度(du)。

 

通過檢測雨量的變化調整雨刷速度

，為了抑製低頻可見光信號，雨量傳感器工作在 100Hz 以上的脈衝頻率。可按照下述規格考慮雨量傳感器的 TIA 設計：

 

IR 光電二極管脈衝峰值電流為：50nA 至 10µA，取決於反射光。

 

導通時間 = 50µs

 

占空比 = 5%

 

RF = 100kΩ

 

選用 BPW46 光電二級管

 

表 1 列出了部分低噪聲

、CMOS 輸入運算放大器
，非常適合不同領域的 TIA 應用。本設計示例中
，我們選擇 MAX9636 運算放大器。MAX9636 同樣適合其它電池供電的便攜設備，具有較好的低靜態電流、低噪聲性能。對於寬帶應用
，可選擇 MAX4475 和 MAX4230 等運算放大器。

 

表 1. 適合用作互阻放大器的 Maxim 運放

 

 

把相關參數帶入式 10，估算反饋電容：

 

Ci    = 光電而二極管結電容(70pF) + MAX9636 輸入電容

     

= 72pF

 

fGBWP = 0.9MHz.

 

F 運算放大器的增益帶寬積並未經過調理，變化範圍可能達到±40％。因此
，即使數據手冊給出了單位增益帶寬典型值為 1.5MHz
，也要在計算中采用 60%的單位增益帶寬作為典型值。

 

其中，RF = 100kΩ
，計算得到 CF = 15.6pF，最接近的標準電容為 18pF。

 

圖 8 所示為圖 1- 圖 3 電路的 TIA 輸出，未加任何反饋電容補償。正如預期的那樣，沒有相位補償電容的條件下能夠看到自激。如果增加電容：CF = 10pF，則消除振鈴現象
，但仍可看到過衝，如圖 9 所示。當把反饋電容增加到 18pF 時
，從圖 10 可以看出，完全消除了振鈴或振蕩。圖 11 顯示了小信號輸入(50nA 脈衝電流輸入)情況下的響應。

 

 

圖 8. MAX9636 輸出
，RF = 100kΩ

，沒有安裝 CF，10µA 電流脈衝

 

 

圖 9. MAX9636 輸出，RF = 100kΩ，CF = 10pF，輸入為 10μA 脈衝電流

 

 

圖 10. MAX9636 輸出，RF = 100kΩ
，CF = 18pF，Ci = 72pF，輸入為 10µA 脈衝電流

 

 

圖 11. MAX9636 輸出
，RF = 100kΩ

，CF = 18pF
，Ci = 72pF，輸入為 50nA 脈衝電流。波形為交流耦合

 

本文介紹了 TIA 電路補償元件的計算和穩定性分析
，實驗室測試結果很好地驗證了上述分析。

 

參考文獻

Jiang, H., and Yu, P. K. L., "Equivalent Circuit Analysis of Harmonic Distortions in Photodiode," IEEE® Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 11, November 1998, pp. 1608–1610.

 

Graeme, Jerald, "Photodiode Amplifiers: Op amp Solutions," The McGraw-Hill Companies, Inc., ISBN 0-07-024247-X, pp. 47–50.