跨阻放大器(TIA)是光学传感器(如光电二极管)的前端放大器，用于将传感器的输出电流转换为电压。跨阻放大器的概念很简单，即运算放大器(op amp)两头的反应电阻(RF)运用欧姆规律VOUT= I × RF 将电流(I)转换为电压(VOUT)。在这一系列博文中，我将介绍怎么补偿TIA，及怎么优化其噪声功能。关于TIA带宽、安稳性和噪声等要害参数的定量剖析，请拜见标题为“用于高速放大器的跨阻抗注意事项”的运用注释。
在实践电路中，寄生电容会与反应电阻交互，在放大器的回路增益呼应中构成不必要的极点和零点。寄生输入和反应电容的最常见来历包括光电二极管电容(CD)、运算放大器的共模(CCM)和差分输入电容(CDIFF)，以及电路板的电容(CPCB)。反应电阻RF并不抱负，而且或许具有高达0.2pF的寄生并联电容。在高速TIA运用中，这些寄生电容互相交互，一起也会与RF交互生成一个并不抱负的呼应。在本篇博文中，我将论述怎么来补偿TIA。
图1显现了具有寄生输入和反应电容源的完好TIA电路。
图1：含寄生电容的TIA电路
三个要害要素决议TIA的带宽：
Ÿ 总输入电容(CTOT)。
Ÿ 由RF设置的抱负的跨阻增益。
Ÿ 运算放大器的增益带宽积(GBP)：增益带宽越高，发生的闭环跨阻带宽就越高。
这三个要素互相相关：对特定的运算放大器来说，定位增益将设置最大带宽;反之，定位带宽将设置最大增益。
无寄生单极放大器
此剖析的第一步是假定在AOL呼应和表1所示的标准中有一个单极的运算放大器。
DC、AOL(DC)时运算放大器的开环增益120dB
运算放大器GBP1GHz
反应电阻RF159.15kW
表1：TIA标准
放大器的闭环安稳性与其相位裕度ΦM有关，而相位裕度是由界说为AOL× β的环路增益呼应来确认，其间β是噪声增益的倒数。图2和图3中别离显现了用来确认运算放大器AOL和噪声增益的TINA-TI™电路。图2安装了一个开环装备的在试设备(DUT)，以导出其AOL。图3运用了一个具有所需RF、CF和CTOT的抱负运算放大器来提取噪声增益-1/β。图3现在不包括寄生元件CF和CTOT。
图2：用来确认AOL的DUT装备
图3：用来确认噪声增益(1/β)的抱负放大器装备
图4所示为模仿起伏和环路增益的相位，别离为AOL和1/β。由于1/β为纯阻抗式，其呼应频率较为平整。由于该放大器是一个如图3所示的单位增益装备，环路增益是AOL(dB) + β(dB) = AOL(dB)。因而，如图4所示，AOL和环路增益曲线呈互相交叠的形状。又由于这是一个单极体系， fd条件下AOL级导致的总相移为90°。终究ΦM为180°-90°= 90°，而且TIA是肯定安稳的。
图4：模仿回路增益，抱负状态下的AOL和1/β
输入电容的影响(CTOT)
让我们来剖析一下放大器输入电容对回路增益呼应的影响。假定总有用输入电容CTOT为10pF。 CTOT和RF组合将在fz= 1/(2πRFCTOT) = 100kHz的频率条件下在1/β曲线上创立一个零点。图5和图6显现了电路和发生的频率呼应。AOL和1/β曲线在10MHz条件下相交 — fz(100kHz)和GBP(1GHz)的几许平均值。1/β曲线中的零点变成β曲线中的极点。所得的环路增益将具有如图6所示的南北极呼应。
零点使得1/β的起伏以20dB/decade的速度添加，并在40dB/decade挨近率(ROC)条件下与AOL曲线相交，然后构成了潜在的不安稳性。占主导地位的AOL极点在频率为1kHz的情况下，在回路增益中呈现90°的相移。频率为100kHz时，零频率fz又发生一次90°的相移。终究影响为1MHz。由于回路增益穿插只在10MHz条件下发生，fd和 fz的总相移将为180°，然后得到ΦM= 0°，并显现TIA电路是不安稳的。
图5：含10pF输入电容的模仿电路
图6：含输入电容影响时的模仿回路增益AOL和(1/β)
反应电容的影响(CF)
经过添加与RF并联的电容CF，将fz 添加到1/β呼应，以康复fz构成的失相。 fp1坐落1/(2πRFCF)。为了得到最大平整度的闭环巴特沃斯呼应(ΦM= 64°)，运用等式1核算CF：
其间，f-3dB是在等式2中所示的闭环带宽：
核算得出，CF = 0.14pF及f-3dB = 10MHz。fz处于≈7MHz的方位。反应电容器包括来自印刷电路板和RF的寄生电容。为了最大极限地减小CPCB移除放大器反相输入和输出引脚之间的反应盯梢下方的接地和电源层。运用比如0201和0402的小形状系数的电阻器可下降由反应元件发生的寄生电容。图7和图8显现了电路和发生的频率呼应。
图7：包括14pF反应电容的模仿电路
图8：包括输入和反应电容影响时的模仿环路增益AOL和1/β
表2运用波特曲线理论汇总了回路增益呼应中的拐点。
1/β曲线到达
的最大值。在巴特沃斯呼应中，1/β在挨近最大值的频率
时，与AOL相交。fd和fz构成180°的总相移。经过fp1再生的相位为
，这与模仿的65°十分挨近。
规划TIA时，您有必要了解光电二极管的电容，由于该电容一般由运用确认。确认光电二极管的电容之后，下一步就是挑选合适运用的正确放大器。
挑选合适的放大器需求了解放大器的GBP、希望的跨阻增益和闭环带宽，以及输入电容和反应%&&&&&%之间的联系。您可在此篇博文中找到包括所述方程和理论的Excel核算器。若您正在规划TIA，一定要检查此核算器，然后为您省去人工核算及节省很多时刻。
