如何評估互阻抗放大器（上）

作者：Xavier Ramus

在本博文中，我想采用不同方法描述通過工作臺對 OPA857 進(jìn)行特性描述時遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)。該器件是一款具有兩個內(nèi)部增益設(shè)置的專用互阻抗放大器 （TIA），工作電源為 +3.3V，支持 100MHz 最小帶寬。

除了高增益（5k? 和 20k?）與高帶寬（在整個溫度及工藝變化中大于 100MHz）組合外，OPA857 最具挑戰(zhàn)性的特性是需要低輸入電容，包括電路板寄生在內(nèi)的該需求是提供低于 1.5pF 的總輸入電容。正如闡明的那樣，1.5pF 總輸入電容不包括封裝或晶體管寄生。之所以選擇這個值，是因為驅(qū)動 OPA857 的光電二極管偏置電壓非常高，支持介于 0.5pF 至 0.7pF 之間的光電二極管電容貢獻(xiàn)，因此留給外部寄生電容的空間是 0.8pF 至 1pF。

OPA857 介紹

OPA857 是一款具有偽差分輸出的專用互阻抗放大器。方框圖見下圖 1。

圖 1：OPA857 方框圖

本圖中有三個不同的塊：

互阻抗塊

參考電壓塊

電流鏡塊（測試塊）

互阻抗塊在考慮 500? 負(fù)載引起的衰減時具有兩種可選增益配置：4.5k? 與 18.2k?。由于只有一個開關(guān)，RF2 與 RF1 的并聯(lián)組合是 4.5k?。原理圖簡化，可確保清晰表達(dá)結(jié)果值。

互阻抗塊可在兩種增益配置下提供出色的帶寬（大于 100MHz），在整個帶寬范圍內(nèi)提供盡可能低的 RMS 噪聲。

參考電壓塊有幾種用途：

向輸入提供足夠的 DC 參考電壓。

在輸出端提供 DC 參考，允許 DC 耦合解決方案支持全差分信號鏈，其不僅可提供 CMRR，而且還可將 PSRR 問題轉(zhuǎn)化為 CMRR。

引腳分配提供的第三個塊旨在簡化 OPA857 的特性描述與評估。在具體介紹器件特性及其描述方法之前，我們先來看一下預(yù)期測量性能。要求之一是盡可能直接在目標(biāo)應(yīng)用電路中測量。

頻率響應(yīng)

脈沖響應(yīng)

諧波失真

參考塊

參考塊設(shè)定為電源的 5/9。因而對于 3.3V 電源而言，參考電壓是 1.8V。高帶寬可為高頻率實現(xiàn)低輸出阻抗。參考電壓然后可提供給兩條路徑。通向輸出 OUTN 的路徑具有 25? 串聯(lián)電阻器。另一條路徑具有通向 TIA 非反相輸入端的串聯(lián) RC。RC 濾波器用來最大程度降低來自緩沖器輸入端參考電壓的高頻率噪聲。

TIA 塊

TIA 塊的放大器有一個 A 類輸出級，可限制通過任何途徑將 1.83V 共模電壓向下擺動至電軌。由于為實現(xiàn)保護(hù)及更好過載恢復(fù)添加了內(nèi)部保護(hù)，因此擺幅接近電軌的值不可能超過 0.6V。輸出端仍有 1.2V 的動態(tài)擺幅范圍對應(yīng)于 20k? 增益下 60uA 最大輸入電流和 5k? 增益下 240uA 最大輸入電流。

每個輸出端還有 25? 的串聯(lián)電阻，用于限制加載放大器體驗，但也會降低增益。在 500? 差分負(fù)載下，負(fù)載引起的衰減是 0.83dB，其可影響整體互阻抗增益。由于負(fù)載衰減原因，20k? 互阻抗增益可降低至 18.2k? 的有效值，而 5k? 則可降低至 4.5k?。

帶寬注意事項

由于其固定互阻抗配置及相關(guān)內(nèi)部補(bǔ)償原因，電源輸入電容必須如前所述保持為低。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計目標(biāo)是 1.5pF，包括電路板寄生電容。不推薦在 5k? 增益下為得到最大平坦度使輸入電容超過 5pF。在 5pF 輸入電容下，OPA857 在 20k? 增益下將達(dá)到 1.5dB 峰值。見下圖 2a） 和 2b）：

還要注意：帶寬會隨負(fù)載變化而變化：負(fù)載越大，帶寬越低。如下圖 3 所示。

圖 3：OPA857 帶寬隨負(fù)載變化，a） 20k?，b） 5k?

現(xiàn)在我們回顧了放大器的預(yù)期性能，我們將在下篇博客文章中介紹測量的實際實施。

閱讀原文， 請參見： http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2014/01/29/how-to-evaluate-a-transimpedance-amplifier-part-1.aspx

編輯：jq