WEBENCH工具与光电探测器稳定性

    光敏应用的首要工作是让跨阻抗放大器电路拥有良好的稳定性。WEBENCH® 设计器工具TI 开发人员致力于为客户提供拥有60°相位裕量的光敏设计，也即约8.7% 的阶跃输入信号过冲。

    WEBENCH设计器工具拥有强大的软件算法和可视界面，可在数秒内生成完整的电源、照明和传感检测应用。这种功能，可让用户在进行设计以前进行系统和供应链层面的价值比较。WEBENCH 环境中内嵌了众多工具，其中之一便是“传感设计器”的光电二极管部分。本文将专门为您介绍WEBENCH 传感设计器的嵌入式光电二极管电路稳定性。

忽略稳定性的后果

    很多光敏应用均使用光电二极管前置放大器(preamp) 电路。这些电路将来自LED 或者光源的光信息转换为有效电压。使用零偏置电压的精密光电导电路(photoZB) 以及负或者反向偏置电压的高速光电导电路(photoRB) 时，内嵌电路相位裕量便至关重要。一些使用光电二极管前置放大器的精密photoZB 应用包括CT 扫描仪、血液分析仪、烟雾探测器和位置传感器。这些精密电路要求电压反馈放大器拥有低输入偏置电流、低偏移电压和低噪声。利用检测数字光信号的低精密度photoRB 应用包括条形码扫描仪和光纤接收机。这些高速应用电路要求电压反馈放大器拥有更大的带宽。

    设计光电二极管前置放大器电路的最简单方法是将光电二极管放置于放大器输入之间，非反向输入接地，并在反馈环路中放置一个电阻器。这样，您便可以在有或者没有偏置电压的情况下对光敏光电二极管进行配置。在精密photoZB 结构（请参见图1a）中，输入放大器需要有一个低输入偏置电流和低偏移电压的FET 或者CMOS 输入结构。在该电路中，光电二极管阴极连接放大器反向输入，而光电二极管阳极接地。该电路的光电二极管传感器为零偏置。就光电二极管的阳极和阴极而言，注意电流I_PH 的方向。

图1 光电二极管预放大结构

   如果数字速度和快速响应时间很重要，则photoRB 结构（请参见图1b）使用反向偏置电压的光电二极管。这种反向偏置电压在光电二极管形成漏电流。但是，相比photoZB 结构，光电二极管的寄生电容相当的低。光电二极管电容的减少，增加了电路的带宽。反向偏置光电二极管前置放大器配置使用的放大器，可以使用FET、CMOS 或者双极输入；但是，放大器的带宽越高越好。

    不管是哪种结构，光电二极管的入射光都会使电流(I_PH) 经二极管从阴极流至阳极。该电流还会流经反馈电阻器R_F，从而引起电阻器出现压降。放大器输入级使放大器反向输入保持在接地电平左右。

    图1a 和1b 所示简易解决方案通常不会成功。图2 显示了一个阶跃输入光信号如何在放大器输出端V_OUT 产生可怕的振铃。如果幸运的话，这种光敏电路也可能不会出现振铃，但我们最好是理解并对这种稳定性问题进行补偿。

图2 未经补偿的photoZB 光电二极管电路

    图3 中，在反馈环路中添加的电容C_F 改变了电路的整体相位裕量，并消除了输出信号的振荡。但是，由于C_F 值设置过高，导致这种简易解决方案过渡补偿，从而使放大器输出传输过慢。

图3 过渡补偿的光电二极管电路

    在photoZB应用中，图3 所示过渡补偿或许能够接受，但相比适当补偿的电路，这种电路的功耗和噪声更高。至于photoRB 应用，这种电路响应则不可接受，因为它没有产生较好的方波响应。由于photoRB 电路依赖于无噪数字方波信号，因此我们需要更多地关注图2 和3 所示结构，以获得正确的补偿。

光电二极管补偿作用因素

   该跨阻抗放大器的目标相位裕量为60°。就阶跃响应而言，这种相位裕量可实现8.7%的过冲（请参见图4）。一些设计人员会说，这种双极系统正确的相位裕量应为45°。如图4 所示，45°相位裕量电路的阶跃响应为22.5%。

图4 过冲响应与相位裕量的关系

    理论上而言，两种相位裕量都可以实现稳定的电路设计；但是，我们还没有考虑到放大器带宽、电阻、电容和杂散电容的变化。这些变化都会对45°相位裕量的电路产生极大的不利影响。

    图3 所示简易电路的正确补偿，要求我们清楚地了解电容和电阻作用因素。图5 显示了一个系统模型，其包括一个反馈网络（R_F 和C_F）和一个运算放大器。后面的讨论将为您介绍，所有电容组成部分结合在一起以后，如何对电路的频率响应产生直接的影响。在安装硬件或者进行手动计算以前，我们可以首先使用WEBENCH传感器设计工具来生成良好系统稳定性的设计。

图5光电探测器电路的系统模型

图5 所示双极系统电路的传输函数为：

其中β为噪声增益的倒数，即：

Z_IN 为输入网络阻抗，即：

Z_F 为反馈网络阻抗，即：

运用代数计算方法得到系统极点频率f_p 和系统零频率f_z 的方程式分别为：

    图6 以图形的方式显示了系统的频率响应。该图中，f_i 为反馈系统（1/β）和放大器开环增益(A_OL) 之间的截止频率。频率f_BW 为放大器的增益带宽积。该系统中，DC 增益G1 由电阻器R_F 和R_SH 决定。注意，反馈电阻(R_F) 在第二项的分子中，而输入电阻(R_SH) 在分母中。该系统的高频增益G2 依赖于系统的电容。请注意，第二项的分子包含输入电容的和，而分母则包含电路的反馈电容(C_F)。

图6 光电二极管电路的频率响应

稳定性设计原则

    极点频率(f_p) 和1/β 和A_OL 之间截止频率的分布情况，决定这种电路的稳定性。反馈曲线和放大器开增益曲线相交的点，决定了电路的稳定性。特别是，f_i 的相位裕量决定电路所产生的振铃或者过冲的类型和大小。例如，如果f_p 等于f_i，则电路相位裕量为45°。45° 相位裕量在方波输入信号上产生~22.5% 的过冲。如果电路的相位裕量等于~60°，则该极的角频率出现在放大器A_OL 曲线交叉之前（请参见图6）。如果f_p 的角频率低于A_OL 截止频率，则设计拥有60° 的相位裕量是可能的。60° 相位裕量得到~8.7% 的方波输入信号过冲。

WEBENCH实施

    PhotoRB 检测网络的WEBENCH 实施包括为理想60° 相位裕量选择正确的反馈电容器(C_F)，选择正确的放大器，并遵守电路的ADC 建议。WEBENCH 传感器设计工具提供一个工作电路，以及一块可以买到的、没有安装组件的印制电路板。图7 显示了WEBENCH photoRB 系统的结构图。

图7 photoRB 应用电路的WEBBENCH 实施

结论

    要想设计一个拥有良好稳定性的光敏电路，您需要遵循一些方法。WEBENCH传感器设计工具功能强大，可以为您提供拥有稳定60° 相位裕量的电路。

参考文献

1、《跨阻抗放大器噪声问题》，作者：Bonnie C. Baker，（2008 年10 月2 日），发表于《EDN》（在线版），地址：http://www.edn.com。

2、《跨阻抗放大器稳定性是光敏应用的关键》，作者：Bonnie C. Baker，（2008年9月4日），发表于《EDN》（在线版），地址：http://www.edn.com。

3、《利用集成光电二极管/运算放大器提高光敏性能》，作者：Bonnie C. Baker，1996年6月1日发表于《加拿大电子》。

4、《光电二极管放大器》，作者：Jerald G. Graeme，发表于1996年《Boston: McGraw-Hill》。

5、《跨阻抗放大器的理解与应用（第1部分，共2部分）》，作者：David Westerman，（2007年8月8日），发表于《EE时代》（在线版），地址：http://eetimes.com。

6、《跨阻抗放大器的理解与应用（第2部分，共2部分）》，作者：David Westerman，（2007年8月10日），发表于《EE时代》（在线版），地址：http://eetimes.com。

相关网站

数据转换器：www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/dataconverters/data_converter.page

WEBENCH 设计中心：www.ti.com.cn/webench

WEBENCH Designer：www.ti.com/ww/en/analog/webench/sensors/index.shtml