精密的單電源光檢測電路設計方案
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2.2 運放的SPICE模型 運算放大器具有范圍較寬的技術指標及性能參數,它對光檢測電路的穩定性和噪聲性能影響很少。其主要參數示于圖3的模型中,它包括一個噪聲源電壓、每個輸入端的寄生共模電容、輸入端之間的寄生電容及與頻率有關的開環增益。 輸入差分電容CDIFF和輸入共模電容CCM是直接影響電路穩定性和噪聲性能的寄生電容。這些寄生電容在數據手冊中通常規定為典型值,基本不隨時間和溫度變化。 另一個涉及到輸入性能的是噪聲電壓,該參數可模擬為運放同相輸入端的噪聲源。此噪聲源為放大器產生的所有噪聲的等效值。利用此噪聲源可建立放大器的全部頻譜模型,包括1/f噪聲或閃爍噪聲以及寬帶噪聲。討論中假設采用CMOS輸入放大器,則輸入電流噪聲的影響可忽略不計。 |
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圖3 非理想的運放模型當運行SPICE噪聲模擬程序時,必須使用一個獨立的交流電壓源或電流源。為了模擬放大器的輸入噪聲RTI,一個獨立的電壓源VIN應加在放大器的同相輸入端。另外,電路中的反饋電阻保持較低值（100W ）,以便在評估中不影響系統噪聲。
圖3模型中的最后一個技術指標為在頻率范圍內的開環增益AOL（jw ）,典型情況下,在傳輸函數中該響應特性至少有兩個極點,該特性用于確定電路的穩定性。
在這個應用電路中,對運放有影響而未模擬的另一個重要性能參數是輸入共模范圍和輸出擺幅范圍。一般而言,輸入共模范圍必須擴展到超過負電源幅值,而輸出擺幅必須盡可能地擺動到負電源幅值。大多數單電源CMOS放大器具有負電源電壓以下0.3V的共模范圍。由于同相輸入端接地,此類性能非常適合于本應用領域。當放大器對地的負載電阻為小于RF /10時,則單電源放大器的輸出擺幅可最優化。如果采用這種方法,最壞情況下放大器負載電阻的噪聲也僅為總噪聲的0.5%。
SPICE宏模型可以模擬也可以不模擬這些參數。一個放大器宏模型會具有適當的開環增益頻率響應、輸入共模范圍和不那么理想的輸出擺幅范圍。表1中列出了本文使用的三個放大器宏模型的特性。
光電二極管和放大器的寄生元件對電路的影響可容易地用SPICE模擬加以說明。例如,在理想情況下,可以通過使用ISC的方波函數和觀察輸出響應來進行模擬。
2.3 反饋元件模型 本應用中應該考慮的第三個即最后一個變量是放大器的反饋系統。圖4示出一個反饋網絡模型。 在圖4中,分離的反饋電阻RF也有一個噪聲成分eRF和一個寄生電容CRF 。 寄生電容CRF為電阻RF及與電路板/接線板相關的電容。此電容的典型值為0.5pF到1.0pF。 CF是反饋網絡模型中包含的第2個分離元件,用于穩定電路。 |
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圖4 圖1所示系統反饋電路的表1 本文提到的運放宏模型特性
典型參數 | 理想值 | MCP601 | 運放#2 |
輸入差分電容 | 0pF | 3pF | 3pF |
輸入共模電容 | 0pF | 6pF | 6pF |
溫度范圍內的輸入偏流 | 0pA | 50pA | 50pA |
輸入電壓噪聲 |
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靜態電流 | 250m A | 250m A | 25m A |
增益vs.頻率 | 無極點 | 在傳輸函數中有2個極點 | 在傳輸函數中有2個極點 |
單位增益相交時的相位容限 | N/A | 60° | 60° |
增益帶寬積（GBW） | 未確定 | 2.8MHz | 100kHz |
將三個子模型（光電二極管、運放和反饋網絡）組合起來可組成光檢測電路的系統模型。如圖5所示。
3 系統模型的相互影響和系統穩定性分析 當光電二極管配置為光致電壓工作方式時,圖5所示的系統模型可用來定性分析系統的穩定性。 這個系統模型的SPICE能模擬光電二極管檢測電路的頻率及噪聲響應。尤其是在進入硬件實驗以前,通過模擬手段可以容易地驗證并設計出良好的系統穩定性。該過程是評估系統的傳輸函數、確定影響系統穩定性的關鍵變量并作相應調整的過程。 該系統的傳輸函數為
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（2）
圖5 標準光檢測電路的系統模型式（2）中,AOL（jw ）是放大器在頻率范圍內的開環增益。b 是系統反饋系數,等于1/（1+ZF/ZIN）。1/b 也稱作系統的噪聲增益。
ZIN是輸入阻抗,等于RPD//1/[jw （CPD+CCM+ CDIFF）];ZF是反饋阻抗,等于RF //1/[jw （CRF+CF）]。
通過補償AOL（jw ）´ b 的相位可確定系統的穩定性,這可憑經驗用AOL（jw ）和1/b 的Bode圖來實現。圖6中的各圖說明了這個概念。
開環增益頻率響應和反饋系數的倒數（1/b ）之間的閉合斜率必須小于或等于－20dB/10倍頻程。圖6中（a）、（c）表示穩定系統,(b)、（d）表示不穩定系統。在（a）中,放大器的開環增益（AOL（jw ））以零dB隨頻率變化并很快變化到斜率為 －20dB/10倍頻程。盡管未在圖中顯示,但這個變化是由開環增益響應的一個極點導致的,并伴隨著相位的變化,在極點以前開始以10倍頻程變化。即在極點的10倍頻程處,相移約為0° 。在極點發生的頻率處,相移為－45° 。當斜率隨著頻率變化,到第二個極點時開環增益響應變化至－40dB/10倍頻程。并再次伴隨著相位的變化。第3個以零點響應出現,并且開環增益響應返回至－20dB/10倍頻程的斜率。
圖6 確定系統穩定性的Bode圖
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