光敏應(yīng)用的首要工作是讓跨阻抗放大器電路擁有良好的穩(wěn)定性。WEBENCH? 設(shè)計(jì)器工具 TI 開發(fā)人員致力于為客戶提供擁有 60°相位裕量的光敏設(shè)計(jì)，也即約 8.7% 的階躍輸入信號(hào)過沖。

WEBENCH設(shè)計(jì)器工具擁有強(qiáng)大的軟件算法和可視界面，可在數(shù)秒內(nèi)生成完整的電源、照明和傳感檢測(cè)應(yīng)用。這種功能，可讓用戶在進(jìn)行設(shè)計(jì)以前進(jìn)行系統(tǒng)和供應(yīng)鏈層面的價(jià)值比較。WEBENCH 環(huán)境中內(nèi)嵌了眾多工具，其中之一便是“傳感設(shè)計(jì)器”的光電二極管部分。本文將專門為您介紹 WEBENCH 傳感設(shè)計(jì)器的嵌入式光電二極管電路穩(wěn)定性。

忽略穩(wěn)定性的后果

很多光敏應(yīng)用均使用光電二極管前置放大器 (preamp) 電路。這些電路將來自 LED 或者光源的光信息轉(zhuǎn)換為有效電壓。使用零偏置電壓的精密光電導(dǎo)電路(photoZB) 以及負(fù)或者反向偏置電壓的高速光電導(dǎo)電路 (photoRB) 時(shí)，內(nèi)嵌電路相位裕量便至關(guān)重要。一些使用光電二極管前置放大器的精密 photoZB 應(yīng)用包括 CT 掃描儀、血液分析儀、煙霧探測(cè)器和位置傳感器。這些精密電路要求電壓反饋放大器擁有低輸入偏置電流、低偏移電壓和低噪聲。利用檢測(cè)數(shù)字光信號(hào)的低精密度 photoRB 應(yīng)用包括條形碼掃描儀和光纖接收機(jī)。這些高速應(yīng)用電路要求電壓反饋放大器擁有更大的帶寬。

設(shè)計(jì)光電二極管前置放大器電路的最簡(jiǎn)單方法是將光電二極管放置于放大器輸入之間，非反向輸入接地，并在反饋環(huán)路中放置一個(gè)電阻器。這樣，您便可以在有或者沒有偏置電壓的情況下對(duì)光敏光電二極管進(jìn)行配置。在精密 photoZB 結(jié)構(gòu)(請(qǐng)參見圖 1a)中，輸入放大器需要有一個(gè)低輸入偏置電流和低偏移電壓的 FET 或者 CMOS 輸入結(jié)構(gòu)。在該電路中，光電二極管陰極連接放大器反向輸入，而光電二極管陽極接地。該電路的光電二極管傳感器為零偏置。就光電二極管的陽極和陰極而言，注意電流 IPH 的方向。

圖 1 光電二極管預(yù)放大結(jié)構(gòu)

如果數(shù)字速度和快速響應(yīng)時(shí)間很重要，則 photoRB 結(jié)構(gòu)(請(qǐng)參見圖 1b)使用反向偏置電壓的光電二極管。這種反向偏置電壓在光電二極管形成漏電流。但是，相比 photoZB 結(jié)構(gòu)，光電二極管的寄生電容相當(dāng)?shù)牡汀９怆姸O管電容的減少，增加了電路的帶寬。反向偏置光電二極管前置放大器配置使用的放大器，可以使用 FET、CMOS 或者雙極輸入;但是，放大器的帶寬越高越好。

不管是哪種結(jié)構(gòu)，光電二極管的入射光都會(huì)使電流 (IPH) 經(jīng)二極管從陰極流至陽極。該電流還會(huì)流經(jīng)反饋電阻器 RF，從而引起電阻器出現(xiàn)壓降。放大器輸入級(jí)使放大器反向輸入保持在接地電平左右。

圖 1a 和 1b 所示簡(jiǎn)易解決方案通常不會(huì)成功。圖 2 顯示了一個(gè)階躍輸入光信號(hào)如何在放大器輸出端 VOUT 產(chǎn)生可怕的振鈴。如果幸運(yùn)的話，這種光敏電路也可能不會(huì)出現(xiàn)振鈴，但我們最好是理解并對(duì)這種穩(wěn)定性問題進(jìn)行補(bǔ)償。

圖 2 未經(jīng)補(bǔ)償?shù)?photoZB 光電二極管電路

圖 3 中，在反饋環(huán)路中添加的電容 CF 改變了電路的整體相位裕量，并消除了輸出信號(hào)的振蕩。但是，由于 CF 值設(shè)置過高，導(dǎo)致這種簡(jiǎn)易解決方案過渡補(bǔ)償，從而使放大器輸出傳輸過慢。

圖 3 過渡補(bǔ)償?shù)墓怆姸O管電路

在photoZB應(yīng)用中，圖 3 所示過渡補(bǔ)償或許能夠接受，但相比適當(dāng)補(bǔ)償?shù)碾娐?，這種電路的功耗和噪聲更高。至于 photoRB 應(yīng)用，這種電路響應(yīng)則不可接受，因?yàn)樗鼪]有產(chǎn)生較好的方波響應(yīng)。由于 photoRB 電路依賴于無噪數(shù)字方波信號(hào)，因此我們需要更多地關(guān)注圖 2 和 3 所示結(jié)構(gòu)，以獲得正確的補(bǔ)償。

光電二極管補(bǔ)償作用因素

該跨阻抗放大器的目標(biāo)相位裕量為 60°。就階躍響應(yīng)而言，這種相位裕量可實(shí)現(xiàn)8.7%的過沖(請(qǐng)參見圖 4)。一些設(shè)計(jì)人員會(huì)說，這種雙極系統(tǒng)正確的相位裕量應(yīng)為 45°。如圖 4 所示，45°相位裕量電路的階躍響應(yīng)為 22.5%。

圖 4 過沖響應(yīng)與相位裕量的關(guān)系

理論上而言，兩種相位裕量都可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電路設(shè)計(jì);但是，我們還沒有考慮到放大器帶寬、電阻、電容和雜散電容的變化。這些變化都會(huì)對(duì) 45°相位裕量的電路產(chǎn)生極大的不利影響。

圖 3 所示簡(jiǎn)易電路的正確補(bǔ)償，要求我們清楚地了解電容和電阻作用因素。圖 5 顯示了一個(gè)系統(tǒng)模型，其包括一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)(RF 和 CF)和一個(gè)運(yùn)算放大器。后面的討論將為您介紹，所有電容組成部分結(jié)合在一起以后，如何對(duì)電路的頻率響應(yīng)產(chǎn)生直接的影響。在安裝硬件或者進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算以前，我們可以首先使用WEBENCH傳感器設(shè)計(jì)工具來生成良好系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。

圖 5光電探測(cè)器電路的系統(tǒng)模型

圖 5 所示雙極系統(tǒng)電路的傳輸函數(shù)為：

其中 β 為噪聲增益的倒數(shù)，即：

結(jié)論

要想設(shè)計(jì)一個(gè)擁有良好穩(wěn)定性的光敏電路，您需要遵循一些方法。WEBENCH傳感器設(shè)計(jì)工具功能強(qiáng)大，可以為您提供擁有穩(wěn)定 60° 相位裕量的電路。