在TIA 基礎第 2 部分：信號頻率響應中對直流跨阻放大器的討論是了解交流信號響應的良好開端。但這還不是全部。您可能希望通過跨阻放大器電路 （TIA） 的信號保持穩定。

回到我們的標準 TIA 電路（圖 1）。

圖 1. 無寄生電容的標準高精度 TIA 電路。

我知道這是一個光電流轉換器，但現在我們有一個輸出電壓信號的放大器，電路穩定性的確定在于電壓域。圖 1 中的電路可能會不穩定，但憑借您在本博客中新學到的設計專業知識，您將逐步了解 TIA 游戲中的參與者。TIA 穩定性的關鍵在于放大器和反饋元件的寄生效應。

放大器和反饋電路的寄生效應

從放大器電路開始，該電路中隱藏著四個額外的寄生電容；C RF、C CM+、C CM-和 C DIFF（圖 2）。

圖 2. 該圖明確繪制了放大器電路的寄生電容。

寄生放大器電容為C CM+、C CM-和C DIFF。C CM+和C CM-是輸入共模放大器電容。您會注意到 C CM+從接地連接偏置到放大器中的虛擬接地。因此，我們將忽略 C CM+并調用 C CM-，簡稱 C CM。C DIFF肯定在電路中，它實際上與 C CM并聯。這一事實方便地使放大器的輸入電容等于 C CM + C DIFF，我們將其稱為 C AMP。

在圖 2 的頂部，反饋電阻 R F兩端有一個寄生電容 （C RF ） 。該電容是分立電阻器上的寄生電容加上布局中 PCB 寄生并聯電容的結果。通常，所有這些寄生電容的累積值最多為幾皮法。如果 PCB 設計人員意識到這個問題，仔細布局可以將此電容降低到 1pF 以下。在我們計算反饋電容 （C F ） 值之前，您可能認為這個小電容可以忽略不計，但讓我們將這個最終決定推遲到我們的設計工作結束。圖 2 中的放大器具有三個寄生電容，C CM-、C DIFF和 C厘米+。

圖 2 中的定義或組件標簽是：

C F = TIA 反饋電容。

R F = TIA 反饋電阻。

C RF = TIA 反饋電阻寄生電容。

C CM-、C CM+ = 共模放大器電容。

C DIFF = 差分放大器電容。

A OL （jw） = 放大器開環增益。

修改變量：

CCM- = CCM _

C AMP = C CM + C DIFF

值得注意的是，C AMP與光電二極管 （PD） 并聯。簡而言之，如果光電二極管有任何寄生電容，則放大器的電容會增加光電二極管的電容。稍后我們將了解這如何影響電路穩定性。

光電二極管寄生效應

光電二極管接收光信號。在該電路中，光電二極管上的入射光導致電流 （ IPD ） 從陰極流過二極管到陽極。放大器的反相輸入阻抗極高，使光電二極管產生的電流流過反饋電阻 R F（圖 3）。

圖 3. 光電二極管寄生參數包括結電容 （C PD ） 和結電阻 （R PD ）。

在圖 3 中，寄生元件的定義為：

PD = 理想光電二極管。

I PD = 光照在光電二極管上產生的電流。

C PD = 光電二極管寄生電容。

R PD = 光電二極管寄生并聯電阻。

當光照射到光電二極管上時，電流 （ IPD ） 從二極管的陰極傳導到陽極。例如，R F和 C F等于 1MW 和 2.5pF（含），I PD等于 DC （1mA），信號傳遞函數的極點等于 1/（2p R F x C F ） 或 63.7kHz，放大器輸出電壓 V OUT等于 I PD x R F或 +1V。R F的減小使該極點移至更高的頻率值，并將輸出電壓移至更低的電壓。

該跨阻放大器的整體情況包括所有組件及其寄生電容器和電阻器（圖 4）。

圖 4. 包含寄生電容和電阻的跨阻放大器的完整電路圖。

在圖 4 中，放大器的輸入偏置電流必須低于最小光電二極管電流。經驗法則是使用輸入偏置電流規格小于 10pA 的 FET 或 CMOS 輸入放大器，例如 MAX44260，其典型輸入偏置電流規格等于 0.01pA。

特定放大器的失調電壓誤差可能會或可能不會成為問題，具體取決于應用電路。具有高失調電壓（10 毫伏范圍）的放大器會極大地損害電路的線性度和動態范圍。

在精密應用中，放大器在光電二極管上的失調電壓會產生與撞擊光電二極管的光無關的電流，從而影響電路的低光輸入線性度。

失調電壓也可能影響 TIA 的動態范圍。例如，圖 1 中的電路設計具有 （1 + R F / R PD ） 的電壓增益。偏移電壓乘以該增益因子傳送到放大器的輸出。在本例中，RF 等于 1MW，R PD等于 1GW，等于 1.001V/V。失調電壓為 10mV 的放大器在 10.01mV 的輸出端會產生恒定的直流誤差。在 5V 系統中，10.01mV 會使動態范圍減小約 0.2%。在圖 4 中，MAX44260 的最大輸入失調電壓等于 50mV，產生 0.001% 的動態范圍誤差。

我將用 TIA 波特圖（圖 5）來逗你一笑，但現在很少或根本沒有解釋。在此圖中，您會看到這些寄生組件彈出，這將引導我們前往穩定的 TIA 電路。下一篇博文中見，將深入了解這個波特圖的詳細信息。

圖 5. 閉環增益 （1/β） 和放大器的開環增益 （A OL ）之間的閉合率為20dB/decade，它決定了電路的穩定性。

審核編輯：郭婷