如何在實(shí)現(xiàn)高帶寬和低噪聲的同時(shí)確保穩(wěn)定性?(二)
發(fā)布時(shí)間:2019-06-26 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在上一篇文章“如何在實(shí)現(xiàn)高帶寬和低噪聲的同時(shí)確保穩(wěn)定性?(一)”中,我們介紹了如何選擇外部元件以保證穩(wěn)定性和計(jì)算TIA噪聲。本文,我們將介紹單增益級(jí)的噪聲優(yōu)勢(shì)。
可編程增益級(jí)貢獻(xiàn)的噪聲
如果在跨阻放大器之后添加一個(gè)PGA,輸出端的噪聲將是PGA噪聲加上TIA噪聲乘以額外增益的和。例如,假設(shè)應(yīng)用需要1和10的增益,使用總輸入噪聲密度為10nV/√Hz的PGA,那么PGA造成的輸出噪聲將是10nV/√Hz或100nV/√Hz。
要計(jì)算系統(tǒng)的總噪聲,同樣可以對(duì)TIA的噪聲貢獻(xiàn)和PGA的噪聲貢獻(xiàn)求和方根,如圖1所示。本例假設(shè)PGA包括一個(gè)34 kHz濾波器。可以看到,增益為10時(shí),TIA的噪聲貢獻(xiàn)乘以PGA增益后出現(xiàn)在PGA的輸出端。
圖1:TIA+PGA架構(gòu)的系統(tǒng)總噪聲
正如我們所預(yù)期的,PGA以10倍增益工作與PGA以1倍增益工作相比,輸出噪聲略大于10倍。
單增益級(jí)的噪聲優(yōu)勢(shì)
另一種方法是使用具有可編程增益的跨阻放大器,徹底消除PGA級(jí)。圖9顯示了具有兩個(gè)可編程跨阻增益(1MΩ和10MΩ)的理論電路。各跨阻電阻需要以自己的電容來(lái)補(bǔ)償光電二極管的輸入電容。為與上例保持一致,兩種增益設(shè)置下的信號(hào)帶寬仍為34kHz。這意味著,應(yīng)選擇一個(gè)0.47pF電容與10MΩ電阻并聯(lián)。這種情況下,使用1MΩ電阻時(shí)的輸出電壓噪聲與公式12相同。使用10MΩ跨阻增益時(shí),較大的電阻導(dǎo)致較高的約翰遜噪聲、較高的電流噪聲(此時(shí)的電流噪聲乘以10MΩ而不是1MΩ)和較高的噪聲增益。同理,三個(gè)主要噪聲源為:
總輸出噪聲為:
在輸出端添加一個(gè)帶寬為34kHz的單極點(diǎn)RC濾波器可降低噪聲,系統(tǒng)總噪聲為460μVrms。由于增益較高,fp2更接近信號(hào)帶寬,因此降噪效果不如使用1MΩ增益那樣顯著。
圖2是兩種放大器架構(gòu)的噪聲性能小結(jié)。對(duì)于10MΩ的跨阻增益,總噪聲比兩級(jí)電路低大約12%。
圖2:系統(tǒng)總噪聲比較
可編程增益跨阻放大器
圖3顯示了一個(gè)可編程增益跨阻放大器。這是一個(gè)很好的概念設(shè)計(jì),但模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和漏電流會(huì)引入誤差。導(dǎo)通電阻引起電壓和溫度相關(guān)的增益誤差,漏電流引起失調(diào)誤差,特別是在高溫時(shí)。
圖3:可編程跨阻放大器
圖4所示電路在每個(gè)跨阻分支中使用兩個(gè)開(kāi)關(guān),從而避免了上述問(wèn)題。雖然它需要的開(kāi)關(guān)數(shù)量加倍,但左側(cè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻在反饋環(huán)路內(nèi),因此輸出電壓僅取決于通過(guò)所選電阻的電流。右側(cè)開(kāi)關(guān)看似輸出阻抗,如果放大器驅(qū)動(dòng)ADC驅(qū)動(dòng)器等高阻抗負(fù)載,它產(chǎn)生的誤差可忽略不計(jì)。
圖4:帶開(kāi)爾文開(kāi)關(guān)的可編程增益跨阻放大器
圖4電路適用于DC和低頻,但在關(guān)斷狀態(tài)下,開(kāi)關(guān)上的寄生電容是另一大難題。這些寄生電容在圖4中標(biāo)記為Cp,將未使用的反饋路徑連接到輸出端,因此會(huì)降低整體帶寬。圖5顯示這些電容最終如何連接到未選擇的增益分支,從而將跨阻增益變?yōu)檫x定增益與未選定增益衰減版本的并聯(lián)組合。
圖5:包括開(kāi)關(guān)寄生電容的總反饋電容
根據(jù)所需的帶寬和反饋電阻,寄生電容可能導(dǎo)致放大器的預(yù)期行為與實(shí)測(cè)行為大不相同。例如,假設(shè)圖5中的放大器使用與上一電路相同的1MΩ和10MΩ值,相應(yīng)的電容分別為4.7pF和0.47pF,我們選擇10MΩ增益。如果各開(kāi)關(guān)具有大約0.5pF的饋通電容,考慮寄生路徑,理想帶寬與實(shí)際帶寬的差異如圖6所示。
圖6:包括寄生開(kāi)關(guān)電容的跨阻增益
解決該問(wèn)題的一種方法是將各開(kāi)關(guān)替換為兩個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)。這樣,寄生電容將減半,但需要更多元件。圖7顯示了這種方法。
圖7:增加串聯(lián)開(kāi)關(guān)以降低總寄生電容
如果應(yīng)用需要更高的帶寬,第三種方法是利用SPDT開(kāi)關(guān)將每個(gè)未使用的輸入端連接到地。雖然各斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的寄生電容仍在電路內(nèi),但圖8b顯示了各寄生電容看起來(lái)是如何從運(yùn)算放大器的輸出端連接到地,或從未使用反饋分支的末端連接到地。從放大器輸出端到地的電容常常導(dǎo)致電路不穩(wěn)定和響應(yīng)振蕩,但在這種情況下,總寄生電容僅有幾pF,不會(huì)對(duì)輸出端產(chǎn)生嚴(yán)重影響。從反相輸入端到地的寄生電容會(huì)與光電二極管的分流電容和運(yùn)算放大器自有的輸入電容相加,與光電二極管的大分流電容相比,增加量微乎其微。假設(shè)各開(kāi)關(guān)有0.5pF的饋通電容,運(yùn)算放大器輸出端將增加2pF負(fù)載,大部分運(yùn)算放大器都能毫無(wú)困難地驅(qū)動(dòng)。
圖8:使用SPDT開(kāi)關(guān)的可編程TIA
但是,像任何事情一樣,圖8所示的方法也有缺點(diǎn)。它更復(fù)雜,對(duì)于兩個(gè)以上的增益可能難以實(shí)現(xiàn)。此外,反饋環(huán)路中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)會(huì)引入直流誤差和失真。根據(jù)反饋電阻的值不同,額外帶寬可能很重要,足以保證這種小誤差不影響電路工作。例如,對(duì)于1MΩ反饋電阻,ADG633 的導(dǎo)通電阻在室溫下產(chǎn)生大約50ppm的增益誤差和5μV的失調(diào)誤差。但是,如果應(yīng)用要求最高帶寬,那么可以說(shuō)這是一個(gè)缺點(diǎn)。
結(jié)論
光電二極管放大器是大多數(shù)化學(xué)分析和材料鑒別信號(hào)鏈的基本組成部分。利用可編程增益,工程師可以設(shè)計(jì)儀器來(lái)精確測(cè)量非常大的動(dòng)態(tài)范圍。本文說(shuō)明如何在實(shí)現(xiàn)高帶寬和低噪聲的同時(shí)確保穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)可編程增益TIA涉及到開(kāi)關(guān)配置、寄生電容、漏電流和失真等挑戰(zhàn),但選擇合適的配置并仔細(xì)權(quán)衡利弊可以實(shí)現(xiàn)出色的性能。
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