跨导放大器的设计考虑

采用电压反馈放大器 (VFA) 来设计一个优质的电流到电压 (跨导放大器) 转换器是一项重大的挑战。本文将会探讨一个用 345 MHz 的轨到轨输出，电压反馈放大器 (例如是美国国家半导体的 LMH6611)来实现的简单 TIA 设计，并提供 TIA 设计所必需的信息，讨论 TIA 的补偿和性能结果，以及分析 TIA 输出端的噪声。

　　图 1 所示为一个用电压反馈放大器构建的带有光电二极管等效电容和运放输入电容的 TIA 模型。

　　

 

　　由于 LMH6611 工作在较大增益 (RF) 时，其输入偏置电流便较低，故可容许电路工作在低光强度的条件下。运算放大器反向端上的总电容 (Cr) 包括光二极管的电容 (CPD) 和输入电容 (CIN)，Cr 在电路稳定性方面扮演着很重要的角色，而稳定性则取决于这个电路的噪声增益 (NG)，其定义为：

　　

 

　　图 2 所示为噪声增益与运算放大器开环增益 (AOL)交点的波特图。当增益较大时，CT 和 RF 在传递函数中产生了一个零点。在较高的频率下，在环路附近会出现过大的相移，使得跨导放大器绝对不稳定。

　　

 

　　为了保持稳定性，需要加入一个反馈电容 (CF) 与RF 并联以便在噪声增益函数中的 fP 处构建一个极点。通过选用合适容值的 CF，便可使噪声增益的斜坡变平从而获取最佳的性能，这样使得频率 fP 点的噪声增益等于运算放大器的开环增益。这个在 AOL和噪声增益交点以上的噪声增益斜率“平坦化”会得到一个 45 度的相位余量 (PM)。这是因为在交点处，fP 点的噪声增益极点会贡献一个 45 度的相位超前，因此给出了一个 45 度的相位余量 (假设 fP 和fZ之间最少有 10 MHz 的距离)。

　　公式 3 和 4 理论上可计算出 CF 的最优值和期望的 -3 dB 带宽：

　　

 

　　公式 4 指出 TIA 的 -3 dB 带宽与反馈电阻成反比。因此，假如带宽很重要的话，那最好的方法是在一个适度的跨导增益级后跟随一个宽带电压增益级。