如何為互阻抗放大器電路選擇組件

　　在高精度光電轉換應用中，我們經(jīng)常使用光電二極管和互阻抗放大器將光信號轉換為電信號，并將其放大。如圖1所示，通過(guò)R1的光電流可在放大器輸出端產(chǎn)生電壓，實(shí)現電流電壓轉換。這是最簡(jiǎn)單、最常用的光電轉換電路。本文將介紹如何在已有光電二極管的情況下選擇放大器，如何在已有放大器的情況下選擇光電二極管，以及如何優(yōu)化反饋電阻器R1及補償電容器C1。

　　圖1：最簡(jiǎn)單的常用光電轉換電路

　　圖2是開(kāi)環(huán)增益(Aol)、互阻抗(電流至電壓 I-V)增益以及整個(gè)頻率下的噪聲增益。根據圖2，在互阻抗電路設計過(guò)程中，我們必須考慮零點(diǎn)、極點(diǎn)以及放大器GBW(fc)，以滿(mǎn)足系統要求。

　　圖2：互阻抗放大器的頻率響應

　　硅光電二極管、PIN二極管和APD二極管是三種典型的光電二極管。硅光電二極管專(zhuān)為高精度光度測定領(lǐng)域設計，因為它們具有高靈敏度與低暗電流。PIN二極管能夠以低偏置電壓提供大帶寬，一般用于高速光度測定與光通信。APD二極管具有高內部增益機制、快速時(shí)間響應以及紫外至近紅外區的高靈敏度，主要用于高速遠距離光通信系統。

　　硅光電二極管的主要規范有光譜響應、光靈敏度、暗電流、終端電容、分流電阻、響應時(shí)間以及噪聲等效功率。運算放大器規范也很重要。在本應用中，我們更關(guān)注放大器的偏置電流、失調、GBW、噪聲、輸入電容以及輸出軌。選擇運算放大器時(shí)，首先應選擇JFET或CMOS放大器。JFET與CMOS輸入放大器具有極低的偏置電流，非常適合光電轉換。

　　在光電二極管規范確定后，如何選擇放大器、R1和C1：

　　在本部分中，我們將探討在指定了系統帶寬(BW0)和光電二極管特征(光電二極管結點(diǎn)電容Cd和光電二極管分流電阻Rsh)的情況下如何選擇組件。目標是選擇放大器、反饋電阻器和補償電容器?，F在我們已知的參數有BW0、Cd和Rsh。在光電轉換過(guò)程中，輸出噪聲可影響電路靈敏度。光電二極管在應用中的最大輸出電流由輸入光學(xué)功率以及光電二極管規范決定。因此，我們可通過(guò)在開(kāi)始進(jìn)行計算或測量來(lái)確定光電二極管的最大輸出電流Iomax。

　　放大器具有輸出軌限制，從來(lái)不會(huì )超過(guò)電源范圍。某些放大器輸出軌非常接近電源軌，而某些輸出軌卻有極大限制。我們可以參考運算放大器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，了解具體電軌限制。為讓放大器工作在線(xiàn)性區域，我們必須限制反饋電阻器的值。在設計電路時(shí)，可能會(huì )有放大器偏置電流、輸入失調以及二極管暗電流造成的大量輸出失調。輸出失調不僅會(huì )限制放大器的AC動(dòng)態(tài)范圍，而且還會(huì )限制反饋電阻器的值：

　　如果R1太小，放大器AC輸出動(dòng)態(tài)范圍就很浪費。另一方面，大型R1會(huì )增大電路輸出噪聲，如圖3所示。

　　圖3：反饋電阻器對噪聲增益的影響

　　從圖2 我們知道，I-V 增益帶寬由極點(diǎn)頻率fpf決定，而fpf又由反饋電阻器R1和補償電容器C1決定，因此

。噪聲增益曲線(xiàn)上的零點(diǎn)(fzf)和極點(diǎn)(fpf)構成了噪聲曲線(xiàn)。極點(diǎn)和零點(diǎn)是決定總噪聲的兩個(gè)主要因素。零點(diǎn)fzf由R1和Ci(Ci=Cd+Ci-OPA，即二極管結點(diǎn)電容Cd和放大器輸入電容Ci-OPA之和)決定。極點(diǎn) fpf由R1和C1決定。

　　較大電路帶寬需要較小補償電容，但較小補償電容將增大噪聲增益，導致輸出更大噪聲，降低分辨率，如圖4 所示。

　　圖4：補償電容對噪聲增益的影響