解補(bǔ)償運(yùn)放是什么意思？解補(bǔ)償運(yùn)放為何可正常用于TIA配置?

TIA即跨阻放大器(transimpedance amplifier)。以前總說什么PD放大電路，其實(shí)用TIA更加準(zhǔn)確和專業(yè)。最近碰到一款適用于TIA的解補(bǔ)償運(yùn)放，剛開始還覺得很詫異，因?yàn)榻庋a(bǔ)償運(yùn)放一般需要最小增益才能保證電路的穩(wěn)定性；那么它用在TIA上面，不用擔(dān)心穩(wěn)定性問題嗎？翻了下datasheet，自己簡(jiǎn)單做了仿真，才明白緣由——本文就是希望把這個(gè)緣由能說清楚，因?yàn)楦咚?、高信噪比SNR的TIA電路，用解補(bǔ)償運(yùn)放可能是比較合適的選擇。

一、解補(bǔ)償運(yùn)放是什么意思呢？

從ADI官網(wǎng)隨便找到一款解補(bǔ)償運(yùn)放，LT1468-2，它也是適用于TIA的運(yùn)放。參見圖1。

圖1 解補(bǔ)償運(yùn)放LT1468-2的簡(jiǎn)介

從圖2中就能明白它不是單位增益穩(wěn)定的運(yùn)放，因?yàn)楫?dāng)開環(huán)增益曲線為0dB時(shí)候，相位裕量只有不到20°，所以這顆運(yùn)放是不能配置成緩沖器用的。圖1中說它是二倍增益穩(wěn)定（這里的增益為噪聲增益），從圖2中一樣可以找到原因：當(dāng)Aol曲線在6dB時(shí)候，它的相位裕量是超過45°的，所以它是二倍增益（噪聲增益）的運(yùn)放。我用LTspice進(jìn)行開環(huán)仿真的結(jié)果，跟圖2是一致的。參見圖3、圖4和圖5。

圖2 開環(huán)增益、相位與頻率曲線

圖3 開環(huán)增益的仿真電路

圖4 Aol仿真結(jié)果

圖5 圖4中當(dāng)Aol為0dB時(shí)候的相位裕量只有22°，是不穩(wěn)定的

最后，我們看看當(dāng)LT1468-2用于緩沖器時(shí)候的時(shí)域仿真結(jié)果，參見圖6，我們可以觀察到階躍響應(yīng)時(shí)候會(huì)有比較大的過沖和恢復(fù)時(shí)間，這是不穩(wěn)定的電路。 這里需要注意，時(shí)域觀察運(yùn)放電路的穩(wěn)定性時(shí)候，施加的階躍輸入一定要是小信號(hào) ，即峰峰值小于200mV，這里用的是100mVpp方波輸入。

圖6 時(shí)域仿真電路

圖7 圖6的仿真結(jié)果

有一點(diǎn)很奇怪，就是我通過過沖反推電路的相位裕量的結(jié)果是33°，而前面我們看到，圖2在Aol=0dB時(shí)候它的相位裕量只有22°。暫時(shí)還沒理解原因。

圖8 從圖7的過沖幅值反推電路的相位裕量

二、環(huán)路增益決定著運(yùn)放電路的穩(wěn)定性

這里簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)下運(yùn)放電路穩(wěn)定性的相關(guān)知識(shí)。運(yùn)放用作負(fù)反饋電路時(shí)候有很多好處，比如溫度特性變好，增益基本不會(huì)Aol隨溫度變化而影響，輸出阻抗小等等。但是它也有需要注意的問題，就是可能會(huì)不穩(wěn)定。

那么為什么說環(huán)路增益Aolβ決定著運(yùn)放電路的穩(wěn)定性呢？因?yàn)槿魏芜\(yùn)放負(fù)反饋電路的增益Vo/Vi都可以拆解成分母為1/（1+Aolβ）的形式。環(huán)路增益Aolβ是復(fù)數(shù)，幅值為1時(shí)如果幅角為-180°那么就會(huì)導(dǎo)致Aolβ=-1。當(dāng)Aolβ=-1，此時(shí)分母趨近于零，那么任何輸入的輕微擾動(dòng)，輸出都會(huì)有劇烈的反應(yīng)，即不穩(wěn)定。

三、解補(bǔ)償運(yùn)放可正常用于TIA的原因

現(xiàn)在我們可以看下，為何解補(bǔ)償運(yùn)放可正常用于TIA，而不必?fù)?dān)心穩(wěn)定性問題的原因了。一張圖就能說清楚問題，參見圖9， 因?yàn)門IA的噪聲增益等于1+C1/C2！正常的TIA，噪聲增益都會(huì)比1大很多 。所以解補(bǔ)償運(yùn)放可正常用于TIA。LT1468-2配置成TIA電路的開環(huán)增益與噪聲增益曲線仿真電路和結(jié)果參見圖10和圖11。

圖9 TIA噪聲增益的伯德圖

圖10 LT1468-2配置成TIA電路（配置了好幾遍，只能把C2調(diào)整到200pf，環(huán)路增益的相位裕量才足夠，還沒弄明白）

圖11 噪聲增益與Aol曲線

最后，本文簡(jiǎn)單整理了解補(bǔ)償運(yùn)放是什么，運(yùn)放電路的穩(wěn)定性取決于什么，以及補(bǔ)償運(yùn)放可正常用于TIA的原因。