可編程增益跨阻放大器使光譜系統(tǒng)的動態(tài)范圍達(dá)到最大（二）

選擇外部元件以保證穩(wěn)定性

　　圖4a是一個很好的光電二極管放大器模型。該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)有一個極點(diǎn)在28 Hz，由運(yùn)算放大器的開環(huán)響應(yīng)引起（參見數(shù)據(jù)手冊），還有一個極點(diǎn)是由反饋電阻以及光電二極管的寄生電阻和電容引起。對于我們選擇的元件值，此極點(diǎn)出現(xiàn)在1 kHz處，如公式1所示。

　　（1）

　　注意，Rsh 比 Rf大兩個數(shù)量級，因此公式1可簡化為：

　　（1a）

　　每個極點(diǎn)導(dǎo)致開環(huán)傳遞函數(shù)相移90°，總共相移180°，遠(yuǎn)低于開環(huán)幅度相移跨過0 dB的頻率。如圖4b所示，缺少相位裕量幾乎必然導(dǎo)致電路振蕩。

　　為確保穩(wěn)定工作，可以放一個電容與Rf并聯(lián)，從而給傳遞函數(shù)添加一個零點(diǎn)。此零點(diǎn)可將傳遞函數(shù)跨過0 dB時的斜率從40 dB/十倍頻程降至20 dB/十倍頻程，從而產(chǎn)生正相位裕量。設(shè)計(jì)至少應(yīng)具有45°相位裕量才能保證穩(wěn)定性。相位裕量越高，則響鈴振蕩越小，但響應(yīng)時間會延長。電容添加到開環(huán)響應(yīng)中的零點(diǎn)在閉環(huán)響應(yīng)中變成極點(diǎn)，因此隨著電容提高，放大器的閉環(huán)響應(yīng)會降低。公式2顯示如何計(jì)算反饋電容以提供45°相位裕量。

　　（2）

　　其中， fu 是運(yùn)算放大器的單位增益頻率。

　　此Cf 值決定系統(tǒng)能夠工作的最高實(shí)際帶寬。雖然可以選擇更小的電容以提供更低的相位裕量和更高的帶寬，但輸出可能會過度振蕩。此外，所有元件都必須留有余地，以便在最差情況下保證穩(wěn)定性。本例選擇 Cf = 4.7 pF，相應(yīng)的閉環(huán)帶寬為34 kHz，這是許多光譜系統(tǒng)的典型帶寬。

　　圖5顯示了增加反饋電容后的開環(huán)頻率響應(yīng)。相位響應(yīng)最低點(diǎn)在30°以下，但這與增益變?yōu)? dB的頻率相差數(shù)十倍頻程，因此放大器仍將保持穩(wěn)定。

　　圖5. 使用1.2 pF反饋電容的光電二極管放大器開環(huán)響應(yīng)

　　可編程增益TIA

　　設(shè)計(jì)可編程增益光電二極管放大器的一種方法是使用跨阻放大器，其增益能使輸出保持在線性區(qū)域內(nèi)，即便對于亮度最高的光線輸入。這樣，可編程增益放大器級就能在低光照條件下增強(qiáng)TIA的輸出，對高強(qiáng)度信號實(shí)現(xiàn)接近1的增益，如圖6a所示。另一個選擇是直接在TIA中實(shí)現(xiàn)可編程增益，消除第二級，如圖6b所示。