用于測距和檢測的光多用于這些關(guān)鍵應(yīng)用，比如先進的駕駛員輔助系統(tǒng)（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于檢測電路的準確性和穩(wěn)定性。

 

該電路的關(guān)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(shè)計人員在穩(wěn)定實現(xiàn)方面存在很多困難，其中一個原因是隱藏寄生效應(yīng)。

 

 

這個特性將描述TIA的結(jié)構(gòu)以及寄生效應(yīng)和其他特性。然后，它推導出簡單的方程，以幫助設(shè)計穩(wěn)定的TIA，并引入適合實際實現(xiàn)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(yīng)會在不知不覺中導致不必要的電路不穩(wěn)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(yīng)會導致不穩(wěn)定。（圖像來源：Digi-KeyElectronics）

 

撞擊光電二極管的光會產(chǎn)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(chǎn)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(jié)電容較高。

 

交流信號TIA電路的增益主要取決于放大器反饋環(huán)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(shù)。

 

 

該公式表明單極點頻率響應(yīng)取決于反饋元件但是，這并沒有解釋為什么TIA有時會發(fā)生振蕩。

 

噪聲增益是該系統(tǒng)中的第二個增益方程。與每個放大器電路一樣，放大器開環(huán)增益與噪聲增益相交的波特圖定義了電路的穩(wěn)定性。如果這種交叉以20dB/十倍的閉合速率發(fā)生，則電路相位裕度大于或等于45度。如果這兩條曲線的閉合速率大于20dB/decade，則電路相位裕度小于45度。

 

雖然穩(wěn)定性理論表明0度的相位裕度會導致邊際穩(wěn)定性，但實際上推薦的系統(tǒng)最小值為45度。具有45度相位裕度的電路將產(chǎn)生23％的過沖階躍響應(yīng)行為。

 

TIA噪聲增益響應(yīng)

 

要查找放大器的開環(huán)增益曲線，請參閱設(shè)備的數(shù)據(jù)表。要確定任何放大器電路的噪聲增益，請在放大器的非反相輸入端找到電路增益。出于本文的目的，重要的是要考慮電路中所有電容和電阻的影響。考慮到這一點，有關(guān)電路的全部細節(jié)，包括光電二極管結(jié)特性和放大器寄生輸入電容，如圖2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(jié)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(chǎn)生的電流。光電二極管和應(yīng)用環(huán)境定義了IPD的最大值。光電二極管結(jié)電容CPD是由光電二極管中的p和n材料界面產(chǎn)生的耗盡區(qū)的結(jié)果。分流電阻Rsh等于零偏置光電二極管的有效電阻。這種寄生電阻是p-n硅結(jié)的結(jié)果，通常在DC時等于幾個千兆歐姆。

 

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。對于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。

 

對于以下噪聲計算，放大器輸入端的電容彼此并聯(lián)。Cin中包含的元件是光電二極管的結(jié)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）。所有這些電容并行出現(xiàn)，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計算中只有一個CCM術(shù)語。這是因為非反相輸入CCM上的節(jié)點處于AC等效值。

 

等式2表示圖2中的噪聲增益?zhèn)鬟f函數(shù)（根據(jù)運算放大器的非反相輸入計算）。p》

 

 

根據(jù)公式2，通過公式3和方程4很容易識別噪聲增益?zhèn)鬟f函數(shù)中的零頻率（fz）和極點頻率（fp）：

 

 

跨阻放大器穩(wěn)定性

 

等式3和4提供了繪制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(huán)增益上（圖3）。

 

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

 

波特圖有助于快速確定光電二極管系統(tǒng)在噪聲增益曲線與運算放大器開環(huán)增益曲線相交的位置的穩(wěn)定性。估算這兩條曲線的變化率以粗略確定穩(wěn)定性。

 

表1定義了三條噪聲增益曲線的穩(wěn)定性條件。對于1號噪聲增益曲線，曲線截取放大器開環(huán)（AOL）曲線，變化率等于40dB/decade。該交叉反映了小于45度的相位裕度。相位裕度小于45度的電路略微穩(wěn)定，表現(xiàn)出大于23％的階躍響應(yīng)過沖。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

 

系統(tǒng)《BR》穩(wěn)定？1號噪聲增益曲線-20dB/

 

decade+20dB/

decadeΔ40dB/

 

decade《《45°不穩(wěn)定，23％過沖2號噪聲增益曲線-20dB/

 

十年+0dB/

十年Δ20dB/

十年》》45°穩(wěn)定，

 

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

 

十年45°穩(wěn)定，

?23％過沖

 

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

 

對于2號噪聲增益曲線，曲線在噪聲增益曲線平坦后很好地截取Aol曲線。在這種設(shè)計中，閉合速率等于20dB/decade。但是，相位裕度大于45度，從而形成非常穩(wěn)定的電路。此響應(yīng)的過沖率遠低于23％。隨著fp2頻率的降低，過沖值減小。

 

對于噪聲增益曲線No.3，曲線在極點頻率fp3處精確截取Aol曲線。在這種設(shè)計中，變化率等于20dB/decade。但是，相位裕度現(xiàn)在等于45度。這樣可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電路，具有23％的過沖。

 

在設(shè)計的這一點上，可以估算反饋電容（Cf）的值。對于單位增益穩(wěn)定運算放大器，公式5提供了有用的Cf估計值，創(chuàng)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(yīng)用中，傳感器正在執(zhí)行位置感應(yīng)活動，要求它們快速。適用于ADAS和LiDAR系統(tǒng)的組件是VishaySemiconductorTEFD4300硅PIN光電二極管和ADI公司的ADA4666-2放大器（圖4）。VishayTEFD4300硅PIN光電二極管可感應(yīng)可見光和近紅外輻射。這種高速光電探測器適用于位置傳感，高速數(shù)據(jù)傳輸光電檢測，光學開關(guān)和編碼器。TEFD43000伏偏置結(jié)電容（CPD）為3.3pF，分流電阻（Rsh）為67GΩ。在該系統(tǒng)中，最大預(yù)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系統(tǒng)。（圖像來源：Digi-KeyElectronics）

 

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

 

從上面的值，Cin=CCM+CDIFF+CPD=14.8pF。應(yīng)用公式5，Cf~1.4pF。

 

脈搏血氧儀

 

脈沖血氧儀光電感應(yīng)系統(tǒng)的適當組件是LunaOptoelectronicsPDB-C152SM藍色增強型硅PIN光電二極管和德克薩斯州儀器OPA363放大器（圖5）。LunaPDB-C152SM藍色增強型硅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(yīng)為950nm。PDB-C152SM0V偏置結(jié)電容（CPD）為15pF，分流電阻（Rsh）為500Mohm。在該系統(tǒng)中，最大預(yù)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系統(tǒng)和LunaOptoelectronicsPDB-C152SM光電二極管。（圖像來源：Digi-KeyElectronics）

 

對于OPA363，輸入共模電容（CCM）等于3pF，輸入差分電容（CDIFF）等于2pF。增益帶寬積（GBWP）等于7MHz。在該系統(tǒng)中，電源為5V，放大器的輸出擺幅為1V至4V.為實現(xiàn)此輸出擺幅，VREF等于1V.為實現(xiàn)4V的最大輸出擺幅，反饋電阻（Rf）等于（VoutMax-VoutMin）/IpdMax=（4V-1V）/10μA=300kohms。

 

從值Cin=CCM+CDIFF+CPD=20pF。應(yīng)用公式5，Cf~1.23pF。

 

結(jié)論

 

本文簡要討論了三個簡單公式的推導，以幫助設(shè)計人員為所有跨阻抗放大器創(chuàng)建穩(wěn)定的電路。這些公式涉及互阻抗放大器的信號和噪聲增益的推導。

 

適用于TIA的放大器具有低輸入偏置電流，低輸入失調(diào)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(shè)計：ADI公司的ADA4666和德州儀器的OPA363放大器。