WEBENCH工具與光電探測器穩定性

光敏應用的首要工作是讓跨阻抗放大器電路擁有良好的穩定性。WEBENCH® 設計器工具 TI 開(kāi)發(fā)人員致力于為客戶(hù)提供擁有 60°相位裕量的光敏設計，也即約 8.7% 的階躍輸入信號過(guò)沖。

WEBENCH設計器工具擁有強大的軟件算法和可視界面，可在數秒內生成完整的電源、照明和傳感檢測應用。這種功能，可讓用戶(hù)在進(jìn)行設計以前進(jìn)行系統和供應鏈層面的價(jià)值比較。WEBENCH 環(huán)境中內嵌了眾多工具，其中之一便是“傳感設計器”的光電二極管部分。本文將專(zhuān)門(mén)為您介紹 WEBENCH 傳感設計器的嵌入式光電二極管電路穩定性。

忽略穩定性的后果

很多光敏應用均使用光電二極管前置放大器 (preamp) 電路。這些電路將來(lái)自 LED 或者光源的光信息轉換為有效電壓。使用零偏置電壓的精密光電導電路(photoZB) 以及負或者反向偏置電壓的高速光電導電路 (photoRB) 時(shí)，內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 應用包括 CT 掃描儀、血液分析儀、煙霧探測器和位置傳感器。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。利用檢測數字光信號的低精密度 photoRB 應用包括條形碼掃描儀和光纖接收機。這些高速應用電路要求電壓反饋放大器擁有更大的帶寬。

設計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(méi)有偏置電壓的情況下對光敏光電二極管進(jìn)行配置。在精密 photoZB 結構(請參見(jiàn)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 輸入結構。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(yáng)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(yáng)極和陰極而言，注意電流 IPH 的方向。

圖 1 光電二極管預放大結構

如果數字速度和快速響應時(shí)間很重要，則 photoRB 結構(請參見(jiàn)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 結構，光電二極管的寄生電容相當的低。光電二極管電容的減少，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。

不管是哪種結構，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(yáng)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壓降。放大器輸入級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)階躍輸入光信號如何在放大器輸出端 VOUT 產(chǎn)生可怕的振鈴。如果幸運的話(huà)，這種光敏電路也可能不會(huì )出現振鈴，但我們最好是理解并對這種穩定性問(wèn)題進(jìn)行補償。

圖 2 未經(jīng)補償的 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，并消除了輸出信號的振蕩。但是，由于 CF 值設置過(guò)高，導致這種簡(jiǎn)易解決方案過(guò)渡補償，從而使放大器輸出傳輸過(guò)慢。

圖 3 過(guò)渡補償的光電二極管電路

在photoZB應用中，圖 3 所示過(guò)渡補償或許能夠接受，但相比適當補償的電路，這種電路的功耗和噪聲更高。至于 photoRB 應用，這種電路響應則不可接受，因為它沒(méi)有產(chǎn)生較好的方波響應。由于 photoRB 電路依賴(lài)于無(wú)噪數字方波信號，因此我們需要更多地關(guān)注圖 2 和 3 所示結構，以獲得正確的補償。

光電二極管補償作用因素

該跨阻抗放大器的目標相位裕量為 60°。就階躍響應而言，這種相位裕量可實(shí)現8.7%的過(guò)沖(請參見(jiàn)圖 4)。一些設計人員會(huì )說(shuō)，這種雙極系統正確的相位裕量應為 45°。如圖 4 所示，45°相位裕量電路的階躍響應為 22.5%。

圖 4 過(guò)沖響應與相位裕量的關(guān)系

理論上而言，兩種相位裕量都可以實(shí)現穩定的電路設計;但是，我們還沒(méi)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 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)系統模型，其包括一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò )(RF 和 CF)和一個(gè)運算放大器。后面的討論將為您介紹，所有電容組成部分結合在一起以后，如何對電路的頻率響應產(chǎn)生直接的影響。在安裝硬件或者進(jìn)行手動(dòng)計算以前，我們可以首先使用WEBENCH傳感器設計工具來(lái)生成良好系統穩定性的設計。

圖 5光電探測器電路的系統模型

圖 5 所示雙極系統電路的傳輸函數為：

其中 β 為噪聲增益的倒數，即：

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