跨導(dǎo)放大器的設(shè)計考慮

采用電壓反饋放大器 (VFA) 來設(shè)計一個優(yōu)質(zhì)的電流到電壓 (跨導(dǎo)放大器) 轉(zhuǎn)換器是一項重大的挑戰(zhàn)。本文將會探討一個用 345 MHz 的軌到軌輸出，電壓反饋放大器 (例如是美國國家半導(dǎo)體的 LMH6611)來實現(xiàn)的簡單 TIA 設(shè)計，并提供 TIA 設(shè)計所必需的信息，討論 TIA 的補償和性能結(jié)果，以及分析 TIA 輸出端的噪聲。

　　圖 1 所示為一個用電壓反饋放大器構(gòu)建的帶有光電二極管等效電容和運放輸入電容的 TIA 模型。

　　由于 LMH6611 工作在較大增益 (RF) 時，其輸入偏置電流便較低，故可容許電路工作在低光強度的條件下。運算放大器反向端上的總電容 (Cr) 包括光二極管的電容 (CPD) 和輸入電容 (CIN)，Cr 在電路穩(wěn)定性方面扮演著很重要的角色，而穩(wěn)定性則取決于這個電路的噪聲增益 (NG)，其定義為：

　　圖 2 所示為噪聲增益與運算放大器開環(huán)增益 (AOL)交點的波特圖。當(dāng)增益較大時，CT 和 RF 在傳遞函數(shù)中產(chǎn)生了一個零點。在較高的頻率下，在環(huán)路附近會出現(xiàn)過大的相移，使得跨導(dǎo)放大器絕對不穩(wěn)定。

　　為了保持穩(wěn)定性，需要加入一個反饋電容 (CF) 與RF 并聯(lián)以便在噪聲增益函數(shù)中的 fP 處構(gòu)建一個極點。通過選用合適容值的 CF，便可使噪聲增益的斜坡變平從而獲取最佳的性能，這樣使得頻率 fP 點的噪聲增益等于運算放大器的開環(huán)增益。這個在 AOL和噪聲增益交點以上的噪聲增益斜率“平坦化”會得到一個 45 度的相位余量 (PM)。這是因為在交點處，fP 點的噪聲增益極點會貢獻(xiàn)一個 45 度的相位超前，因此給出了一個 45 度的相位余量 (假設(shè) fP 和fZ之間最少有 10 MHz 的距離)。

　　公式 3 和 4 理論上可計算出 CF 的最優(yōu)值和期望的 -3 dB 帶寬：

　　公式 4 指出 TIA 的 -3 dB 帶寬與反饋電阻成反比。因此，假如帶寬很重要的話，那最好的方法是在一個適度的跨導(dǎo)增益級后跟隨一個寬帶電壓增益級。