跨阻放大器电路的寄生效应解析

在TIA 基础第 2 部分：信号频率响应中对直流跨阻放大器的讨论是了解交流信号响应的良好开端。但这还不是全部。您可能希望通过跨阻放大器电路 （TIA） 的信号保持稳定。

回到我们的标准 TIA 电路（图 1）。

图 1. 无寄生电容的标准高精度 TIA 电路。

我知道这是一个光电流转换器，但现在我们有一个输出电压信号的放大器，电路稳定性的确定在于电压域。图 1 中的电路可能会不稳定，但凭借您在本博客中新学到的设计专业知识，您将逐步了解 TIA 游戏中的参与者。TIA 稳定性的关键在于放大器和反馈元件的寄生效应。

放大器和反馈电路的寄生效应

从放大器电路开始，该电路中隐藏着四个额外的寄生电容；C RF、C CM+、C CM-和 C DIFF（图 2）。

图 2. 该图明确绘制了放大器电路的寄生电容。

寄生放大器电容为C CM+、C CM-和C DIFF。C CM+和C CM-是输入共模放大器电容。您会注意到 C CM+从接地连接偏置到放大器中的虚拟接地。因此，我们将忽略 C CM+并调用 C CM-，简称 C CM。C DIFF肯定在电路中，它实际上与 C CM并联。这一事实方便地使放大器的输入电容等于 C CM + C DIFF，我们将其称为 C AMP。

在图 2 的顶部，反馈电阻 R F两端有一个寄生电容 （C RF ） 。该电容是分立电阻器上的寄生电容加上布局中 PCB 寄生并联电容的结果。通常，所有这些寄生电容的累积值最多为几皮法。如果 PCB 设计人员意识到这个问题，仔细布局可以将此电容降低到 1pF 以下。在我们计算反馈电容 （C F ） 值之前，您可能认为这个小电容可以忽略不计，但让我们将这个最终决定推迟到我们的设计工作结束。图 2 中的放大器具有三个寄生电容，C CM-、C DIFF和 C厘米+。

图 2 中的定义或组件标签是：

C F = TIA 反馈电容。

R F = TIA 反馈电阻。

C RF = TIA 反馈电阻寄生电容。

C CM-、C CM+ = 共模放大器电容。

C DIFF = 差分放大器电容。

A OL （jw） = 放大器开环增益。

修改变量：

CCM- = CCM _

C AMP = C CM + C DIFF

值得注意的是，C AMP与光电二极管 （PD） 并联。简而言之，如果光电二极管有任何寄生电容，则放大器的电容会增加光电二极管的电容。稍后我们将了解这如何影响电路稳定性。

光电二极管寄生效应

光电二极管接收光信号。在该电路中，光电二极管上的入射光导致电流 （ IPD ） 从阴极流过二极管到阳极。放大器的反相输入阻抗极高，使光电二极管产生的电流流过反馈电阻 R F（图 3）。

图 3. 光电二极管寄生参数包括结电容 （C PD ） 和结电阻 （R PD ）。

在图 3 中，寄生元件的定义为：

PD = 理想光电二极管。

I PD = 光照在光电二极管上产生的电流。

C PD = 光电二极管寄生电容。

R PD = 光电二极管寄生并联电阻。

当光照射到光电二极管上时，电流 （ IPD ） 从二极管的阴极传导到阳极。例如，R F和 C F等于 1MW 和 2.5pF（含），I PD等于 DC （1mA），信号传递函数的极点等于 1/（2p R F x C F ） 或 63.7kHz，放大器输出电压 V OUT等于 I PD x R F或 +1V。R F的减小使该极点移至更高的频率值，并将输出电压移至更低的电压。

该跨阻放大器的整体情况包括所有组件及其寄生电容器和电阻器（图 4）。

图 4. 包含寄生电容和电阻的跨阻放大器的完整电路图。

在图 4 中，放大器的输入偏置电流必须低于最小光电二极管电流。经验法则是使用输入偏置电流规格小于 10pA 的 FET 或 CMOS 输入放大器，例如 MAX44260，其典型输入偏置电流规格等于 0.01pA。

特定放大器的失调电压误差可能会或可能不会成为问题，具体取决于应用电路。具有高失调电压（10 毫伏范围）的放大器会极大地损害电路的线性度和动态范围。

在精密应用中，放大器在光电二极管上的失调电压会产生与撞击光电二极管的光无关的电流，从而影响电路的低光输入线性度。

失调电压也可能影响 TIA 的动态范围。例如，图 1 中的电路设计具有 （1 + R F / R PD ） 的电压增益。偏移电压乘以该增益因子传送到放大器的输出。在本例中，RF 等于 1MW，R PD等于 1GW，等于 1.001V/V。失调电压为 10mV 的放大器在 10.01mV 的输出端会产生恒定的直流误差。在 5V 系统中，10.01mV 会使动态范围减小约 0.2%。在图 4 中，MAX44260 的最大输入失调电压等于 50mV，产生 0.001% 的动态范围误差。

我将用 TIA 波特图（图 5）来逗你一笑，但现在很少或根本没有解释。在此图中，您会看到这些寄生组件弹出，这将引导我们前往稳定的 TIA 电路。下一篇博文中见，将深入了解这个波特图的详细信息。

图 5. 闭环增益 （1/β） 和放大器的开环增益 （A OL ）之间的闭合率为20dB/decade，它决定了电路的稳定性。

审核编辑：郭婷