在光电二极管电路中实现低频精度和提高带宽的技巧

接线图 2024年10月22日 18:26 51 admin

运算放大器输入偏置电流
　　首先，仔细查看运算放大器的输入偏置电流规格。理想情况下，零电流流入或流出输入端，所有光电流都流过 TIA 的反馈电阻并贡献给输出电压。

　　不幸的是，实际的运算放大器需要一定的输入偏置电流，而在其他应用中似乎可以忽略的偏置电流可能会在光电二极管系统中产生不可接受的误差。在非零偏置电流下，部分光电流会转移到运算放大器的输入级，如果光电流处于低纳安范围内，则不需要太多的电流转移就能严重改变放大器报告的测量值。

在光电二极管电路中实现低频精度和提高带宽的技巧第1张

　　图 1. 该图演示了光电二极管的部分光电流如何用作输入偏置电流，因此不会对输出电压产生影响。在此配置中，光电二极管被正电压反向偏置，二极管的方向导致光电流流向输出节点。
　　一般来说，您需要一个带有 FET 输入级的运算放大器。BJT 会吸收过多的偏置电流。但即使是 FET 输入级也具有 IC 输入电路中常见的保护二极管；这些二极管有漏电流，而且随着温度升高，这种漏电流会变得更加显著。如果您正在为高温应用设计光电二极管放大器，请务必检查高温规格！
　　专为 TIA 应用而设计的运算放大器可以实现极低的输入偏置电流。例如，我快速搜索了一下，找到了 Analog Devices 的 LTC6268。在室温下，其漏电流只有几飞安。然而，在 125°C 时，规格为 4 皮安（最大值）——增加了三个数量级！
　　PCB 漏电
　　其次，我们需要记住，我们的 PCB 走线周围并不是由提供无限电阻的材料包围的。如果光电二极管的连接走线靠近会产生显著电位差的走线或铜箔，则通过 PCB 的直流漏电流可能大到足以导致错误。
　　光电二极管的输入信号通过一条线迹传输至运算放大器的反相输入端。反相输入端通常位于地或接近地，因为非反相输入端保持在地或小的偏移电压。因此，更容易引起漏电流问题的线迹是那些电压不接近零的线迹，例如正电源电压或负电源电压。为了最大限度地提高精度，请在这些线迹和光电二极管输入线迹之间留出尽可能多的空间（在合理范围内）。
　　扩展带宽
　　许多光电二极管应用不需要高频响应，这让事情变得简单一些，因为即使速度不是主要考虑因素，设计优化的光电二极管电路也很困难。当你将宽带宽要求纳入其中时，情况就会变得非常具有挑战性。

　　上一篇文章中给出的电路图显示，反馈路径中包含一个正常电容器 (C F )，以确保足够的稳定性：

在光电二极管电路中实现低频精度和提高带宽的技巧第2张

　　图 2. 我们之前文章中带有跨阻放大器的光电二极管示例
　　然而，在高速光电二极管应用中，反馈电容的最佳数量可能非常小——在某些情况下远小于 1 pF。这在高增益应用中尤其如此，因为随着反馈电阻的增加，对反馈电容的需求会减少。

　　因此，宽带宽光电二极管 TIA 可能不需要 CF，要么是因为反馈极点不在会产生不稳定的频率处，要么是因为反馈路径具有太多的寄生电容而不需要特意安装的电容器。

在光电二极管电路中实现低频精度和提高带宽的技巧第3张

　　图 3.反馈电容已被与反馈电阻相关的寄生电容取代。
　　进一步来看，我们发现寄生电容实际上可能大于所需的补偿电容。在这种情况下，寄生电容不必要地限制了 TIA 的带宽，而设计人员的任务是减小反馈电容以增加带宽。
　　在布局紧凑、走线较短的情况下，我们无法减少反馈路径中铜连接的电容。但是，我们可以减少与反馈电阻相关的寄生电容。

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