如何在实现高带宽和低噪声的同时确保稳定性？（二）
品慧电子讯在上一篇文章“如何在实现高带宽和低噪声的同时确保稳定性？（一）”中，我们介绍了如何选择外部元件以保证稳定性和计算TIA噪声。本文，我们将介绍单增益级的噪声优势。
可编程增益级贡献的噪声
如果在跨阻放大器之后添加一个PGA，输出端的噪声将是PGA噪声加上TIA噪声乘以额外增益的和。例如，假设应用需要1和10的增益，使用总输入噪声密度为10nV/√Hz的PGA，那么PGA造成的输出噪声将是10nV/√Hz或100nV/√Hz。
要计算系统的总噪声，同样可以对TIA的噪声贡献和PGA的噪声贡献求和方根，如图1所示。本例假设PGA包括一个34 kHz滤波器。可以看到，增益为10时，TIA的噪声贡献乘以PGA增益后出现在PGA的输出端。
图1：TIA+PGA架构的系统总噪声
正如我们所预期的，PGA以10倍增益工作与PGA以1倍增益工作相比，输出噪声略大于10倍。
单增益级的噪声优势
另一种方法是使用具有可编程增益的跨阻放大器，彻底消除PGA级。图9显示了具有两个可编程跨阻增益（1MΩ和10MΩ）的理论电路。各跨阻电阻需要以自己的电容来补偿光电二极管的输入电容。为与上例保持一致，两种增益设置下的信号带宽仍为34kHz。这意味着，应选择一个0.47pF电容与10MΩ电阻并联。这种情况下，使用1MΩ电阻时的输出电压噪声与公式12相同。使用10MΩ跨阻增益时，较大的电阻导致较高的约翰逊噪声、较高的电流噪声（此时的电流噪声乘以10MΩ而不是1MΩ）和较高的噪声增益。同理，三个主要噪声源为：
总输出噪声为：
在输出端添加一个带宽为34kHz的单极点RC滤波器可降低噪声，系统总噪声为460μVrms。由于增益较高，fp2更接近信号带宽，因此降噪效果不如使用1MΩ增益那样显著。
图2是两种放大器架构的噪声性能小结。对于10MΩ的跨阻增益，总噪声比两级电路低大约12%。
图2：系统总噪声比较
可编程增益跨阻放大器
图3显示了一个可编程增益跨阻放大器。这是一个很好的概念设计，但模拟开关的导通电阻和漏电流会引入误差。导通电阻引起电压和温度相关的增益误差，漏电流引起失调误差，特别是在高温时。
图3：可编程跨阻放大器
图4所示电路在每个跨阻分支中使用两个开关，从而避免了上述问题。虽然它需要的开关数量加倍，但左侧开关的导通电阻在反馈环路内，因此输出电压仅取决于通过所选电阻的电流。右侧开关看似输出阻抗，如果放大器驱动ADC驱动器等高阻抗负载，它产生的误差可忽略不计。
图4：带开尔文开关的可编程增益跨阻放大器
图4电路适用于DC和低频，但在关断状态下，开关上的寄生电容是另一大难题。这些寄生电容在图4中标记为Cp，将未使用的反馈路径连接到输出端，因此会降低整体带宽。图5显示这些电容最终如何连接到未选择的增益分支，从而将跨阻增益变为选定增益与未选定增益衰减版本的并联组合。
图5：包括开关寄生电容的总反馈电容
根据所需的带宽和反馈电阻，寄生电容可能导致放大器的预期行为与实测行为大不相同。例如，假设图5中的放大器使用与上一电路相同的1MΩ和10MΩ值，相应的电容分别为4.7pF和0.47pF，我们选择10MΩ增益。如果各开关具有大约0.5pF的馈通电容，考虑寄生路径，理想带宽与实际带宽的差异如图6所示。
图6：包括寄生开关电容的跨阻增益
解决该问题的一种方法是将各开关替换为两个串联开关。这样，寄生电容将减半，但需要更多元件。图7显示了这种方法。
图7：增加串联开关以降低总寄生电容
如果应用需要更高的带宽，第三种方法是利用SPDT开关将每个未使用的输入端连接到地。虽然各断开开关的寄生电容仍在电路内，但图8b显示了各寄生电容看起来是如何从运算放大器的输出端连接到地，或从未使用反馈分支的末端连接到地。从放大器输出端到地的电容常常导致电路不稳定和响应振荡，但在这种情况下，总寄生电容仅有几pF，不会对输出端产生严重影响。从反相输入端到地的寄生电容会与光电二极管的分流电容和运算放大器自有的输入电容相加，与光电二极管的大分流电容相比，增加量微乎其微。假设各开关有0.5pF的馈通电容，运算放大器输出端将增加2pF负载，大部分运算放大器都能毫无困难地驱动。
图8：使用SPDT开关的可编程TIA
但是，像任何事情一样，图8所示的方法也有缺点。它更复杂，对于两个以上的增益可能难以实现。此外，反馈环路中的两个开关会引入直流误差和失真。根据反馈电阻的值不同，额外带宽可能很重要，足以保证这种小误差不影响电路工作。例如，对于1MΩ反馈电阻，ADG633 的导通电阻在室温下产生大约50ppm的增益误差和5μV的失调误差。但是，如果应用要求最高带宽，那么可以说这是一个缺点。
结论
光电二极管放大器是大多数化学分析和材料鉴别信号链的基本组成部分。利用可编程增益，工程师可以设计仪器来精确测量非常大的动态范围。本文说明如何在实现高带宽和低噪声的同时确保稳定性。设计可编程增益TIA涉及到开关配置、寄生电容、漏电流和失真等挑战，但选择合适的配置并仔细权衡利弊可以实现出色的性能。
推荐阅读：
EMC中的基石-滤波知识大全
OLED驱动电路设计高手进阶必看
电路板上的晶振坏了怎么办？
SBC基础课程——CAN/LIN SBC初学者指南
多年电源设计心得，毫无保留都给你了！
