跨阻扩展器(TIA)是光学传感器(如光电二极管)的前端扩展器，用于将传感器的输出电流改换为电压。跨阻扩展器的概念很简略，即运算扩展器(op amp)两头的反响电阻(RF)运用欧姆规则VOUT= I × RF将电流(I)改换为电压(VOUT)。在这一系列博文中，我将介绍怎么抵偿TIA，及怎么优化其噪声功用。关于TIA带宽、安稳性和噪声等要害参数的定量剖析，请拜见标题为“用于高速扩展器的跨阻抗留意事项”的运用注释。
　　在实习电路中，寄生电容会与反响电阻交互，在扩展器的回路增益呼应中构成不必要的极点和零点。寄生输入和反响电容的最多见来历包含光电二极管电容(CD)、运算扩展器的共模(CCM)和差分输入电容(CDIFF)，以及电路板的电容(CPCB)。反响电阻RF并不抱负，而且具有或许高达0.2pF的寄生并联电容。在高速TIA运用中，这些寄生电容互相交互，也与RF交互生成一个不抱负的呼应。在本篇博文中，我将论述怎么来抵偿TIA。
　　图1显现了具有寄生输入和反响电容源的无缺TIA电路。

　　图1：含寄生电容的TIA电路
　　三个要害要素决议TIA的带宽：
　　Ÿ 总输入电容(CTOT)。
　　Ÿ 由RF设置抱负的跨阻增益。
　　Ÿ 运算扩展器的增益带宽积(GBP)：增益带宽越高，发作的闭环跨阻带宽就越高。
　　这三个要素互相有关：对特定的运算扩展器来说，定位增益将设置最大带宽;反之，定位带宽将设置最大增益。
　　无寄生的单极扩展器
　　这一剖析的榜首步假定在AOL呼应和表1所示的标准中有一个单极的运算扩展器。
　　DC、AOL(DC)时运算扩展器的开环增益
　　120dB
　　运算扩展器GBP
　　1GHz
　　反响电阻RF
　　159.15kW
　　表1：TIA标准
　　扩展器的闭环安稳性与其相位裕度ΦM有关，相位裕度由界说为AOL× β的环路增益呼应来断定，其间β是噪声增益的倒数。图2和图3中别离显现了用来断定运算扩展器AOL和噪声增益的TINA-TI™电路。图2装备了一个开环装备的在试设备(DUT)，以导出其AOL。图3运用了一个具有抱负RF、CF和CTOT的抱负运算扩展器来得出噪声增益-1/β。图3如今不包含寄生元件CF和CTOT。

　　图2：用来断定AOL的DUT装备

　　图3：用来断定噪声增益(1/β)的抱负扩展器装备
　　图4所示为环路增益AOL和1/β的模仿起伏和相位。由于1/β为纯阻抗式，其呼应在频率中较为平整。由于该扩展器是一个如图3所示的单位增益装备，环路增益是AOL(dB) + β(dB) = AOL(dB)。因而，AOL和环路增益曲线如图4所示互相交叠。由于这是一个单极体系，因AOL极的存在，fd条件下的总相移为90°。终究ΦM为180°-90°= 90°，而且TIA是肯定安稳的。

　　图4：模仿回路增益，抱负状况下的AOL和1/β
　　输入电容的影响(CTOT)
　　让咱们来剖析一下扩展器输入电容对回路增益呼应的影响。假定总有用输入电容CTOT为十pF。 CTOT和RF组合将在fz= 1/(2πRFCTOT) = 十0kHz的频率条件下在1/β曲线上创立一个零点。图5和图6显现了电路和发作的频率呼应。AOL和1/β曲线在十MHz条件下相交 — fz(十0kHz)和GBP(1GHz)的几许均匀值。1/β曲线中的零点成为β曲线中的极点。所得的环路增益将具有如图6所示的南北极呼应。
　　零点使得1/β的起伏以20dB/decade的速度增大，并在40dB/decade挨近率(ROC)条件下与AOL曲线相交，然后构成了潜在的不安稳性。频率为1kHz时，占主导方位的AOL极点在回路增益中呈现90°的相移。频率为十0kHz时，零频率fz又发作一次90°的相移。终究影响为1MHz。由于回路增益穿插只在十MHz条件下发作，fd和 fz的总相移将为180°，然后得出ΦM= 0°，并指示TIA电路是不安稳的。

　　图5：含十pF输入电容的模仿电路

　　图6：含输入电容影响时的模仿回路增益AOL和(1/β)
　　反响电容的影响(CF)
　　为康复因fz构成的失相，经过添加与RF并联的电容CF，将极点fp1刺进1/β呼应。fp1处于1/(2πRFCF)。为了得到最大平整度的闭环巴特沃斯呼应(ΦM= 64°)，运用等式1核算CF：

　　其间，f-3dB是在等式2中所示的闭环带宽：

　　核算得出CF= 0.14pF，f-3dB = 十MHz。fz处于≈7MHz的方位。反响电容器包含来自打印电路板和RF的寄生电容。为了最大极限地削减CPCB，移除扩展器的反相输入和输出引脚之间的反响盯梢下方的接地和电源层。运用比如0201和0402的小型电阻器，降低由反响元件发作的寄生电容。图7和图8显现了电路和发作的频率呼应。

　　图7：包含一个14pF反响电容的模仿电路

　　图8：包含输入和反响电容影响时的模仿环路增益AOL和1/β
　　表2运用波特曲线理论汇总了回路增益呼应中的拐点。
　　要素
　　起伏影响
　　相位影响
　　AOL主极点，fd= 1kHz
　　从1kHz开端，起伏以-20dB/dec的速率降低
　　频率为十0Hz-十kHz时，相位从180°开端以-45°/dec的速率降低
　　fz= 十0kHz 时1/β零位
　　在fd的影响下，从十0kHz开端，起伏以-40dB/dec的速率降低
　　频率为十kHz-1MHz时，相位从90°开端以-45°/dec的速率降低
　　fp1= 7MHz时1/β极点
　　在前两种影响下，回路增益起伏的斜率从-40ddB/dec降至-20dB/dec
　　从700kHz开端，相位以45°/dec的速率增大，并开端康复。其影响将一向继续增大到700MHz。
　　表2：极点和零点对回路增益起伏和相位的影响

　　规划TIA时，客户有必要了解光电二极管的电容，由于该电容一般由运用断定。思考到光电二极管的电容，下一步是挑选适宜运用的精确扩展器。
　　挑选适宜的扩展器需求了解扩展器的GBP、希望的跨阻增益和闭环带宽，以及输入电容和反响电容之间的联络。客户可找到一个联络本篇博文中所述方程和理论的Excel核算器。若客户正在规划TIA，必定要检查此核算器，然后为您节省许多时刻，省去许多人工核算。

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