精密的單電源光檢測電路設(shè)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(shù)指標(biāo)及性能參數(shù),它對光檢測電路的穩(wěn)定性和噪聲性能影響很少。其主要參數(shù)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(guān)的開環(huán)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(wěn)定性和噪聲性能的寄生電容。這些寄生電容在數(shù)據(jù)手冊中通常規(guī)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(shù)可模擬為運放同相輸入端的噪聲源。此噪聲源為放大器產(chǎn)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(shè)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(dāng)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(yīng)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(tǒng)噪聲。
圖3模型中的最后一個技術(shù)指標(biāo)為在頻率范圍內(nèi)的開環(huán)增益AOL（jw ）,典型情況下,在傳輸函數(shù)中該響應(yīng)特性至少有兩個極點,該特性用于確定電路的穩(wěn)定性。
在這個應(yīng)用電路中,對運放有影響而未模擬的另一個重要性能參數(shù)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(shù)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(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)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(yōu)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(shù)。一個放大器宏模型會具有適當(dāng)?shù)拈_環(huán)增益頻率響應(yīng)、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(shù)和觀察輸出響應(yīng)來進行模擬。
2.3 反饋元件模型 本應(yīng)用中應(yīng)該考慮的第三個即最后一個變量是放大器的反饋系統(tǒng)。圖4示出一個反饋網(wǎng)絡(luò)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(guān)的電容。此電容的典型值為0.5pF到1.0pF。 CF是反饋網(wǎng)絡(luò)模型中包含的第2個分離元件,用于穩(wěn)定電路。 |
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圖4 圖1所示系統(tǒng)反饋電路的表1 本文提到的運放宏模型特性
典型參數(shù) | 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(nèi)的輸入偏流 | 0pA | 50pA | 50pA |
輸入電壓噪聲 |
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靜態(tài)電流 | 250m A | 250m A | 25m A |
增益vs.頻率 | 無極點 | 在傳輸函數(shù)中有2個極點 | 在傳輸函數(shù)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(wǎng)絡(luò)）組合起來可組成光檢測電路的系統(tǒng)模型。如圖5所示。
3 系統(tǒng)模型的相互影響和系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 當(dāng)光電二極管配置為光致電壓工作方式時,圖5所示的系統(tǒng)模型可用來定性分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 這個系統(tǒng)模型的SPICE能模擬光電二極管檢測電路的頻率及噪聲響應(yīng)。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(shè)計出良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。該過程是評估系統(tǒng)的傳輸函數(shù)、確定影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵變量并作相應(yīng)調(diào)整的過程。 該系統(tǒng)的傳輸函數(shù)為
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（2）
圖5 標(biāo)準(zhǔn)光檢測電路的系統(tǒng)模型式（2）中,AOL（jw ）是放大器在頻率范圍內(nèi)的開環(huán)增益。b 是系統(tǒng)反饋系數(shù),等于1/（1+ZF/ZIN）。1/b 也稱作系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性,這可憑經(jīng)驗用AOL（jw ）和1/b 的Bode圖來實現(xiàn)。圖6中的各圖說明了這個概念。
開環(huán)增益頻率響應(yīng)和反饋系數(shù)的倒數(shù)（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(wěn)定系統(tǒng),(b)、（d）表示不穩(wěn)定系統(tǒng)。在（a）中,放大器的開環(huán)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(huán)增益響應(yīng)的一個極點導(dǎo)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(fā)生的頻率處,相移為－45° 。當(dāng)斜率隨著頻率變化,到第二個極點時開環(huán)增益響應(yīng)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(yīng)出現(xiàn),并且開環(huán)增益響應(yīng)返回至－20dB/10倍頻程的斜率。
圖6 確定系統(tǒng)穩(wěn)定性的Bode圖
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