如何使用全差分放大器構(gòu)建 TIA 電路

跨阻抗放大器(TIA) 最常使用運算放大器(op amps) 構(gòu)建。而且，越來越多的(如果不是全部的話)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 是全差分系統(tǒng)，需要具有單端差分機制。TIA由于具有高帶寬的優(yōu)點，一般用于高速電路，如光電傳輸通訊系統(tǒng)中普遍使用。例如PIN-TIA，PIN-TIA光接收器是用于光通信系統(tǒng)中將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并將信號進行一定強度低噪聲放大的探測器件，其工作原理是：PIN的光敏面受探測光照射時，由于p-n結(jié)處于反向偏置，光生載流子在電場的作用下產(chǎn)生漂移，在外電路產(chǎn)生光電流;光電流通過跨阻放大器放大輸出，這樣就實現(xiàn)了光信號轉(zhuǎn)換成電信號進而將電信號初步放大的功能。在實際應(yīng)用中，我們會根據(jù)TIA的要求，采用-5.2 V、3.3 V或其它的供電形式，用不同的外圍電路形式來完成封裝。

我們知道在DWDM系統(tǒng)中，OSNR是衡量整個系統(tǒng)傳輸性能的重要指標之一，也就是信號和噪聲的比值，如何將信噪比提高到一個理想的傳輸性能值，從上面的描述就可得知引入了TIA，它能將電信號進行一定強度的低噪放大。信號在經(jīng)過光纖傳輸后，光功率和色散必然在一定程度上有所衰減，光放大器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號來進行放大處理時，TIA就能有效地抑制噪聲信號的放大，分母變小，分子變大，這樣就不難理解TIA是如何提高光信號與噪聲的比值(OSNR)了。所以通俗地說，它是在同等條件下，使負面因素較低從而使正面因素較高地顯現(xiàn)的一種技術(shù)手段而用到的器件。

對于需要直流耦合的應(yīng)用，這主要是通過使用全差分放大器(FDA) 來實現(xiàn)的。

有沒有辦法使用 FDA 進行 I-to-V 轉(zhuǎn)換，以及直接與 ADC 接口?簡而言之，答案是肯定的，在這里我們將回顧實施和限制。

在進一步開發(fā)之前，我需要警告您使用 FDA 作為 TIA 的增益限制。雙極輸入級的輸入偏置電流實際上會限制跨阻級可實現(xiàn)的最大增益。您可以預(yù)期輸入偏置電流為幾微安。在運算放大器中，如果輸入偏置電流和反饋電阻都很大，則會在輸出上產(chǎn)生偏移。在 FDA 中，輸入偏置電流會產(chǎn)生共模偏移。這不是一個問題，因為輸出電壓擺幅是具有 FDA 輸出級的運算放大器的兩倍，但需要對其進行檢查以獲得更高的跨阻增益。

讓我們從OPA843開始，它是一款具有出色噪聲和增益帶寬的雙極放大器，增益設(shè)置為 20kW，光電二極管使用 1.5pF 輸入電容。在這些條件下，OPA843 可以實現(xiàn)約 57MHz 的平坦頻率響應(yīng)。見下圖 1。

圖 1：OPA843 TIA 配置

我們將監(jiān)控的感興趣的性能是：

1- 小信號頻率響應(yīng)及其相關(guān)的平坦度，以確保脈沖響應(yīng)中沒有振鈴以及表現(xiàn)良好的相位變化。

2- 輸出上的綜合噪聲。

3- 解決方案的功耗。

圖 2 和圖 3 顯示了此處監(jiān)控的 OPA843 性能。

圖 2：OPA843 頻率響應(yīng)

圖 3：OPA843 集成輸出噪聲

在 ±5V 電源下運行時，OPA843 的功耗約為 200mW。

查看 +5V 電源 FDA (70mW) THS4520 上的 14mA，我們可以通過在反饋路徑中使用 10kΩ 電阻器來實現(xiàn)相同的 20kΩ 跨阻抗增益。要使該增益為 20kΩ，需要存在 C4。請注意，對于低于 R2 和 C4 形成的極點的頻率(此處為 16Hz)，增益降低了 6dB。

圖 4：THS4520 TIA 配置

盡管帶寬有所增加，但THS4520實現(xiàn)了約 74MHz 的帶寬，但集成噪聲遠低于 OPA843。這種降低的噪聲部分是由于 THS4520 的電流噪聲密度較低(相同的電壓噪聲密度)，但也由于用于實現(xiàn)相同增益的較低反饋電阻器和較高的補償反饋電容器導致較低的噪聲增益。降噪的兩個主要術(shù)語是較低的噪聲增益與頻率和較低的反饋電阻及其相關(guān)的熱噪聲。結(jié)果繪制在圖 5 和圖 6 中。

圖 5：THS4520 頻率響應(yīng)

圖 6：THS4520 集成輸出噪聲

三個關(guān)鍵因素決定TIA的帶寬：

1 總輸入電容(CTOT)。

2 由RF設(shè)置理想的跨阻增益。

3 運算放大器的增益帶寬積(GBP)：增益帶寬越高，產(chǎn)生的閉環(huán)跨阻帶寬就越高。

這三個因素相互關(guān)聯(lián)：對特定的運算放大器來說，定位增益將設(shè)置最大帶寬;反之，定位帶寬將設(shè)置最大增益。

設(shè)計TIA時，必須了解光電二極管的電容，因為該電容通常由應(yīng)用確定。考慮到光電二極管的電容，下一步是選擇適合應(yīng)用的放大器。

選擇適合的放大器需要理解放大器的GBP、期望的跨阻增益和閉環(huán)帶寬，以及輸入電容和反饋電容之間的關(guān)系。