标题: 可编程增益跨阻放大器使光谱系统的动态范围达到最大 [打印本页]
作者: forsuccess 时间: 2014-4-15 23:56 标题: 可编程增益跨阻放大器使光谱系统的动态范围达到最大
简介
利用光电二极管或其他电流输出传感器测量物理性质的精密仪器系统，常常包括跨阻放大器（TIA）和可编程增益级以便最大程度地提高动态范围。本文通过实际例子说明实现单级可编程增益TIA以使噪声最低并保持高带宽和高精度的优势与挑战。
跨阻放大器是所有光线测量系统的基本构建模块。许多化学分析仪器，如紫外可见（UV-VIS）或傅里叶变换红外（FT- IR）光谱仪等，要依赖光电二极管来精确识别化学成分。这些系统必须能测量广泛的光强度范围。例如，UV-VIS光谱仪可测量不透明的样品（例如使用过的机油）或透明物质（例如乙醇）。另外，有些物质在某些波长具有很强的吸收带，而在其他波长则几乎透明。仪器设计工程师常常给信号路径增加多个可编程增益以提高动态范围。
光电二极管和光电二极管放大器
讨论光电二极管放大器之前，快速回顾一下光电二极管。当光线照射其PN结时，光电二极管会产生电压或电流。图1显示的是等效电路。该模型表示光谱仪所用的典型器件，包括一个光线相关的电流源，它与一个大分流电阻和一个分流电容并联，该电容的容值范围是50 pF以下（用于小型器件）到5000 pF以上（用于超大型器件）。
图1. 光电二极管模型
图2显示了典型光电二极管的传递函数。该曲线看起来与普通二极管非常相似，但随着光电二极管接触到光线，整个曲线会上下移动。图2b是原点附近传递函数的特写，此处无光线存在。只要偏置电压非零，光电二极管的输出就不是零。此暗电流通常用10 mV反向偏置来指定。虽然用大反向偏置操作光电二极管（光导模式）可使响应更快，但用零偏置操作光电二极管（光伏模式）可消除暗电流。实践中，即使在光伏模式下，暗电流也不会完全消失，因为放大器的输入失调电压会在光电二极管引脚上产生小误差。
图2. 典型光电二极管传递函数
在光伏模式下操作光电二极管时，跨阻放大器（TIA）可使偏置电压接近0 V，同时可将光电二极管电流转换为电压。图3所示为TIA的最基本形式。
图3. 跨阻放大器
直流误差源
对于理想运算放大器，其反相输入端处于虚地，光电二极管所有电流流经反馈电阻Rf。Rf 的一端处于虚地，因此输出电压等于 Rf × Id。为使这种近似计算成立，运算放大器的输入偏置电流和输入失调电压必须很小。此外，小输入失调电压可以降低光电二极管的暗电流。一个很好的放大器选择是AD8615，室温下其最大漏电流为1 pA，最大失调电压为100 μV。本例中，我们选择Rf = 1 MΩ ，以便在最大光输入条件下提供所需的输出电平。
不过，设计一个光电二极管放大器并不像为图3所示电路选择一个运算放大器那样简单。如果只是将Rf = 1 MΩ 跨接在运算放大器的反馈路径上，光电二极管的分流电容会导致运算放大器振荡。为了说明这一点，表1显示了典型大面积光电二极管的Cs 和 Rsh 。表2列出了 AD8615的主要特性，其低输入偏置电流、低失调电压、低噪声和低电容特性使它非常适合精密光电二极管放大器应用。
图4. 光电二极管放大器模型（a）和开环响应（b）选择外部元件以保证稳定性
图4a是一个很好的光电二极管放大器模型。该系统的开环传递函数有一个极点在28 Hz，由运算放大器的开环响应引起（参见数据手册），还有一个极点是由反馈电阻以及光电二极管的寄生电阻和电容引起。对于我们选择的元件值，此极点出现在1 kHz处，如公式1所示。
（1）
注意，Rsh 比 Rf大两个数量级，因此公式1可简化为：
（1a）
每个极点导致开环传递函数相移90°，总共相移180°，远低于开环幅度相移跨过0 dB的频率。如图4b所示，缺少相位裕量几乎必然导致电路振荡。
为确保稳定工作，可以放一个电容与Rf并联，从而给传递函数添加一个零点。此零点可将传递函数跨过0 dB时的斜率从40 dB/十倍频程降至20 dB/十倍频程，从而产生正相位裕量。设计至少应具有45°相位裕量才能保证稳定性。相位裕量越高，则响铃振荡越小，但响应时间会延长。电容添加到开环响应中的零点在闭环响应中变成极点，因此随着电容提高，放大器的闭环响应会降低。公式2显示如何计算反馈电容以提供45°相位裕量。
（2）
其中， fu 是运算放大器的单位增益频率。
此Cf 值决定系统能够工作的最高实际带宽。虽然可以选择更小的电容以提供更低的相位裕量和更高的带宽，但输出可能会过度振荡。此外，所有元件都必须留有余地，以便在最差情况下保证稳定性。本例选择 Cf = 4.7 pF，相应的闭环带宽为34 kHz，这是许多光谱系统的典型带宽。
图5显示了增加反馈电容后的开环频率响应。相位响应最低点在30°以下，但这与增益变为0 dB的频率相差数十倍频程，因此放大器仍将保持稳定。
图5. 使用1.2 pF反馈电容的光电二极管放大器开环响应
可编程增益TIA
设计可编程增益光电二极管放大器的一种方法是使用跨阻放大器，其增益能使输出保持在线性区域内，即便对于亮度最高的光线输入。这样，可编程增益放大器级就能在低光照条件下增强TIA的输出，对高强度信号实现接近1的增益，如图6a所示。另一个选择是直接在TIA中实现可编程增益，消除第二级，如图6b所示。
图6. （a） TIA第一级后接PGA；（b） 可编程增益TIA
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