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讨论运算放大器的可用输出摆幅范围

光电二极管和其相关联的跨阻或前置放大器是光以及有用的输出电压之间的桥梁。虽然都是基本元素,设计必要的精密仪器电路呈现的多维的一组问题和需要特别注意的参数,如相位裕度。

相位裕度是特别重要的,因为它决定了电路的阶跃响应过冲特性,并且品质因子(Q)。然而,渐渐到所需的相位裕度是一个过程。

在跨阻放大器(TIA)设计的开始,设计者定义了运算放大器的(运放)输出摆幅。从这一点来说,设计者前进到定义反馈电阻和电容,它决定了TIA的相位裕度。

本文将简要讨论运算放大器的可用输出摆幅范围,其次是目标相位裕量推导。

在光感测电路中使用的TIA的

光感测电路,例如跨阻抗放大器(TIA)是在精密的系统有用,例如计算机断层摄影(CT)扫描仪,血液分析仪,烟雾探测器。用于光 - 电压转换的其它用途是用位置传感器,红外(IR)高温计,和色谱仪。在这些电路中,光电二极管产生小电流,该电流正比于照明水平。

该TIA光电二极管的电流输出信号转换成可使用的电压电平。该电流 - 电压转换的实现由光电二极管,放大器和一个电阻器/电容器的反馈对(图1)。

零反向偏压TIA电路的框图与光电二极管和放大器

图1:零反向偏压TIA电路与简化模式下的光电二极管和放大器。该TIA电路包含寄生放大器输入电容以及所述光电二极管的结电容。(图像源:与Digi-Key电子)

令人惊讶地,本申请中呈现的电路的问题,其中最有挑战性的开会的优选相位裕度大的多维集。对于设计师得到它的权利,他们必须使用电路的相位响应,以确定电路的阶跃响应,超调特性,以及Q因子。

限定所述反馈电阻R ˚F

相位裕度是在反馈回路中的反馈电阻和电容的函数,所以第一个任务是定义所述反馈电阻器。反馈电阻的值,R ˚F,取决于最大光电二极管电流(IPDMAX)和运算放大器的输出电压范围。正如前面提到的,应用程序环境定义我PDMAX

光电二极管模型包含一个理想二极管(D PD)和光电二极管光激励电流源(I PD)(图1,再次)。我的电流范围PD是零安培到我PDMAX用户确定I的值PDMAX为等于根据最大光亮度最大的光电二极管电流。

的最小和最大电压值的符号为V OUTMIN和V OUTMAX,包括端值。在这种配置中,在V的确定OUTMIN极限等于IIN +输入负共模电压或放大器的最小线性输出的较大者。在该电路中,V REF提供在V OUTMIN值。

放大器的最大线性输出确定在V OUTMAX限制。数据表的开环增益的测试条件限定用于V的线性范围最宽的值OUTMIN和V OUTMAX

对于我的最终值PDMAX,V OUTMIN和V OUTMAX限定将R ˚F值(等式1)。

式(1)

在优选的稳定性设计

在前面的文章,“ 如何设计用于汽车和医疗系统稳定的跨导放大器 ”,我们用三个简单的公式来快速提供具有45度的相位裕度的工作电路。具有45度的相位裕量的电路将从步骤响应(图2)产生23%的过冲。

一个TIA的理想,归一化步骤响应的图

图2:这是一个理想的,归一化的步骤a TIA的具有45度的相位裕度响应。(图像源:德州仪器

在该图中,归一化的信号产生的1.23伏的峰,这表明0.23 V或23%的过冲值。为了进一步借此,该电路的品质因数(Q)是大约1.19(等式2)。在这个公式中,J是相位裕度。

公式2

一个理想的阶跃响应的图形表示示出了TIA电路(图2)的过冲。

在该图中的曲线图示出了归一化的步骤响应输出。该系统是归一化为1 V.过冲百分比等于峰值信号值减一。

45度的相位裕度可能是不期望对许多设计。在TIA设计的极点和零点控制的相位裕量的分配,因此,过冲。在TIA电路的各种零极点可以通过简单地调整反馈电容器,C被操纵˚F

计算TIA的设计频率

在TIA电路的元件的波特图是在本讨论中是有用的。该波特图包含放大器和闭环噪声增益(图3)的响应的响应。

放大器的开环曲线的波特图的图形叠加在TIA噪声增益曲线

图3:叠加在TIA噪声增益曲线(蓝色)在放大器的开环曲线(红色)的波特图。(图片来源:Digi-Key询问电子)。

放大器的建设必须结合电压反馈拓扑结构。在该波特图的显著放大器频率为f AOL和f 3分贝最低频率f AOL,表示在放大器的开环增益曲线(等式3)的主极点。

公式3 

其中GBWP =放大器的增益带宽积和A OL伏特=放大器的开环增益/伏单元。

第二放大器频率f 3分贝,是60度(等式4)的放大器倍的切线的最大稳定带宽。

公式4

其中GBWP =放大器的增益带宽积和A VC LMIN =放大器最小稳定的闭环增益

该公式假定放大器设计者创建的放大器用于放大器的最大稳定带宽的60度的相位裕度。这种假设是保守的,可以按照选定的放大器进行调整。

在TIA电路感兴趣的三个噪声增益频率是F Ž,F P和f 计算在所述放大器(式5)的所述非反相输入端的噪声增益的传递函数。

公式5

其中C IN = C PD + C CM + C DIFF(每图1)

最低频率f Ž,在噪声增益传递曲线(等式6)在第一和唯一的零。该频率依赖于电路中的所有电阻器和电容器。

公式6

中间频率f P,是首先在噪声增益系统中的两个磁极。这个频率取决于含R中的反馈系统上˚F和C ˚F(等式7)。

公式7

发生较高的噪声增益的系统频率在放大器的开环增益相交的闭环噪声增益曲线中,f (等式8)。

方程8

计算TIA的相位裕度

为了确定系统的相位裕量,通过选择反馈电容器和比较每个频率的距离,其中所述放大器的开环增益与噪声增益曲线,或f相交的频率开始以这种方式,系统中的每个极点和零点有助于电路的总的相位裕度。

例如,贡献相位噪声增益极(F移位P)是f的反正切用f除以P或反正切(F  / F P)。该TIA相位裕度计算包括,我们已经讨论过的所有频率(等式9)。

公式9

将理论付诸实践

为了找到反馈电容器(C的值˚F),该方法是如下:

  1. 选择放大器/光电二极管
  2. 确定最大光电二极管电流
  3. 计算R ˚F,通过选择放大器的输出电压摆动
  4. 计算Ç ˚F通过迭代

选择放大器:输入偏置电流和输入偏移电压必须是低的。如果输入偏置电流为高,将与光电二极管电流信号竞争。它优选的是,室温下放大器的输入偏置电流小于几百微微安(PA)。请记住,相对于光电二极管,该电流将产生直流误差。此外,放大器的输入失调电压要低,优选小于0.1毫伏。较高的偏置电压建立与光电二极管线性度问题。

德州仪器OPA192IDBVR满足这些规格界限,具有输入偏置电流和分别+/- 20 PA(max)和+/- 25个微伏(μV)(最大),输入偏移电压。

以下是关于OPA192IDBVR一些额外的重要数据表信息(当V 小号 = +/- 5 V)

  • 单位增益稳定:一个VC LMIN = 1 V / V
  • 增益带宽积:GBWP = 10兆赫
  • 直流开环增益:甲OL =134分贝= 5.012 MV / V
  • 共模电压范围:-5.1 V至5.1 V
  • 开环增益测试条件:-4.4 V至4.4V的
  • Ç DIFF = 1.6 pF的
  • Ç CM = 6.4 pF的

选择所述光电二极管:该Vishay的半导体,光电司TEMD6200FX01是环境光传感器PIN光电二极管。本装置适用于需要的540纳米(nm)(典型值)波长感测应用。这个设备的结电容为60个皮法(pF)的。在我们的应用程序,我PDMAX将是10μA。

计算ř ˚F:我们将使用的+/- 4 V.该输出摆动的输出摆幅是OPA192IDBVR的输入共模电压范围的界限和线性输出电压范围内。使用公式1,R ˚F = 800千欧(kΩ的)。

计算Ç ˚F:在这一点上,我们有我们需要实现一个65度的相位裕度的所有公式。一个明确的公式找到C的值˚F用于随机相位裕量不存在。作为第一个估计值,我们将选择GBWP / 100的TIA的信号带宽,然后应用公式9获得相位裕度。信号带宽等于f P

10式

各个相位裕度计算确定对于C正确的值˚F(表1)。

参数
计算相位裕度 70.1度 65.6度 45.8度
反馈电容器(C ˚F 1.982 pF的 1.751 pF的 1.18 pF的
˚F AOL 62.8赫兹 62.8赫兹 62.8赫兹
˚F ž 2.85千赫 2.85千赫 2.88千赫
˚F P(信号带宽) 100千赫 113千赫 169千赫
˚F  283.5千赫 251千赫 171千赫
, ˚F 3分贝 17.3兆赫 17.3兆赫 17.3兆赫
超调 1.39% 4.34% 22.5%
品质因数(Q) 0.620 0.706 1.164

表1:计算值反馈电容器(C ˚F)与在TIA电路使用OPA192IDBVR和TEMD6200FX01相位裕度。(图像源:与Digi-Key电子)

该TIA是一个二阶系统。在TIA的OPA192IDBVR和TEMD6200FX01组合需要C ˚F 1.757 pF到达到65.6度的相位裕度。对于一个二阶系统和TIA中,65.6度的相位裕量和Q的0.706类似于巴特沃斯滤波器响应。 

结论

本文提供了合适的设计方程以获得期望的TIA相位裕度。在TIA电路的运算放大器要求的参数是输入偏置电流等于或低于100 pA的输入偏移电压等于或小于0.1毫伏,以及一个电压反馈拓扑。有可能设计一个TIA通过迭代计算的优选的相位裕度。查看并了解设计公式成功地设计定制的TIA电路。

参考

  1. 格雷姆,杰拉尔德,光电二极管放大器:运算放大器解决方案:麦格劳-希尔,1996年,ISBN:0-07-024247-X

(责任编辑:ioter)

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