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如何使用全差分放大器构建 TIA 电路
dianlaotie | 2022-11-10 09:52:54    阅读:514   发布文章

跨阻抗放大器(TIA) 最常使用运算放大器(op amps) 构建。而且,越来越多的(如果不是全部的话)模数转换器(ADC) 是全差分系统,需要具有单端差分机制。TIA由于具有高带宽的优点,一般用于高速电路,如光电传输通讯系统中普遍使用。例如PIN-TIA,PIN-TIA光接收器是用于光通信系统中将微弱的光信号转换成电信号并将信号进行一定强度低噪声放大的探测器件,其工作原理是:PIN的光敏面受探测光照射时,由于p-n结处于反向偏置,光生载流子在电场的作用下产生漂移,在外电路产生光电流;光电流通过跨阻放大器放大输出,这样就实现了光信号转换成电信号进而将电信号初步放大的功能。在实际应用中,我们会根据TIA的要求,采用-5.2 V、3.3 V或其它的供电形式,用不同的外围电路形式来完成封装。


我们知道在DWDM系统中,OSNR是衡量整个系统传输性能的重要指标之一,也就是信号和噪声的比值,如何将信噪比提高到一个理想的传输性能值,从上面的描述就可得知引入了TIA,它能将电信号进行一定强度的低噪放大。信号在经过光纤传输后,光功率和色散必然在一定程度上有所衰减,光放大器将光信号转化为电信号来进行放大处理时,TIA就能有效地抑制噪声信号的放大,分母变小,分子变大,这样就不难理解TIA是如何提高光信号与噪声的比值(OSNR)了。所以通俗地说,它是在同等条件下,使负面因素较低从而使正面因素较高地显现的一种技术手段而用到的器件。


对于需要直流耦合的应用,这主要是通过使用全差分放大器(FDA) 来实现的。


有没有办法使用 FDA 进行 I-to-V 转换,以及直接与 ADC 接口?简而言之,答案是肯定的,在这里我们将回顾实施和限制。


在进一步开发之前,我需要警告您使用 FDA 作为 TIA 的增益限制。双极输入级的输入偏置电流实际上会限制跨阻级可实现的最大增益。您可以预期输入偏置电流为几微安。在运算放大器中,如果输入偏置电流和反馈电阻都很大,则会在输出上产生偏移。在 FDA 中,输入偏置电流会产生共模偏移。这不是一个问题,因为输出电压摆幅是具有 FDA 输出级的运算放大器的两倍,但需要对其进行检查以获得更高的跨阻增益。


让我们从OPA843开始,它是一款具有出色噪声和增益带宽的双极放大器,增益设置为 20kW,光电二极管使用 1.5pF 输入电容。在这些条件下,OPA843 可以实现约 57MHz 的平坦频率响应。见下图 1。


 

如何使用全差分放大器构建 TIA 电路




图 1:OPA843 TIA 配置


我们将监控的感兴趣的性能是:


1- 小信号频率响应及其相关的平坦度,以确保脉冲响应中没有振铃以及表现良好的相位变化。


2- 输出上的综合噪声。


3- 解决方案的功耗。


图 2 和图 3 显示了此处监控的 OPA843 性能。


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图 2:OPA843 频率响应


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图 3:OPA843 集成输出噪声


在 ±5V 电源下运行时,OPA843 的功耗约为 200mW。


查看 +5V 电源 FDA (70mW) THS4520 上的 14mA,我们可以通过在反馈路径中使用 10kΩ 电阻器来实现相同的 20kΩ 跨阻抗增益。要使该增益为 20kΩ,需要存在 C4。请注意,对于低于 R2 和 C4 形成的极点的频率(此处为 16Hz),增益降低了 6dB。


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图 4:THS4520 TIA 配置


尽管带宽有所增加,但THS4520实现了约 74MHz 的带宽,但集成噪声远低于 OPA843。这种降低的噪声部分是由于 THS4520 的电流噪声密度较低(相同的电压噪声密度),但也由于用于实现相同增益的较低反馈电阻器和较高的补偿反馈电容器导致较低的噪声增益。降噪的两个主要术语是较低的噪声增益与频率和较低的反馈电阻及其相关的热噪声。结果绘制在图 5 和图 6 中。


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图 5:THS4520 频率响应


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图 6:THS4520 集成输出噪声


三个关键因素决定TIA的带宽:


1 总输入电容(CTOT)。


2 由RF设置理想的跨阻增益。


3 运算放大器的增益带宽积(GBP):增益带宽越高,产生的闭环跨阻带宽就越高。


这三个因素相互关联:对特定的运算放大器来说,定位增益将设置最大带宽;反之,定位带宽将设置最大增益。


设计TIA时,必须了解光电二极管的电容,因为该电容通常由应用确定。考虑到光电二极管的电容,下一步是选择适合应用的放大器。


选择适合的放大器需要理解放大器的GBP、期望的跨阻增益和闭环带宽,以及输入电容和反馈电容之间的关系。


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