跨阻放大器在光电传感电路中的稳定性分析与处理方法

当放大器输入、输出管脚存在电容时，容易导致放大器电路不稳定，这个电容可以是电容器、也可以是具有容性特征的器件。例如本篇将讨论的光电二极管传感器，笔者从事研发时也曾爬过这个坑。由于光电二极管内部具有等效电容，所以在电路稳定性分析时，还需要结合放大器输入阻抗特征以及配置电路参数进行分析，进而将本篇内容安排在《放大器相位裕度与电路稳定性判断方法》，与《放大器的输入阻抗参数与应用仿真》之后。

如图 3.21（a）为典型的光电二极管传感电路，光电二极管的电流信号通过跨阻放大器转化为电压信号。光电二极管可以等效为电阻，结电容，恒流源并联的结构。

图 3.21 光电二极管传感电路

如图 3.22 为滨松光电传感器规格，S1277-1010BR 内部电阻典型值为 2GΩ，结电容为 3nf。

图 3.22 滨松光电传感器参数

如图 3.21（b），光电二极管传感等效电路中,由 Rf、Cp、Cdi、Ccm 会产生一个极点，将对电路的稳定性产生影响，极点频率为式 3-10。

其中,Ctotal 为光电二极管结电容 Cp，输入共模电容 Ccm，输入差模电容 Cdiff 并联之和。

如图 3.24，使用 ADA4817 设计μA 级光电流传感的交流分析等效电路。

图 3.24 ADA4817 跨阻放大仿真电路

如图 3.23，ADA4817 输入共模电容为 1.3pf，输入差模电容为 0.1pf，相比结电容的影响可以忽略。将上述电路参数代入式 3-10 可得：

图 3.23 ADA4817 输入特性

使用 LTspice 进行 AC 分析结果如图 3.25，在 478.95KHz 处环路增益（V（out）/V(in)）的幅频特性增益为 0dB,对应相频特性相移达到 164.15°，相位裕度 15.85°，电路不稳定。

图 3.25 ADA4817 环路增益波特图 AC 分析结果

为保证放大器稳定工作，需要引入零点，其频率应小于 0.1 倍环路增益为 0dB 时的频率,如式 3-11。

整理得到反馈电容值，为式 3-12。

将参数代入式 3-12,计算 Cf 为 33pf。如图 3.26，将反馈电容配置在补偿仿真电路中，再次进行仿真。

图 3.26 增加补偿的 ADA4817 电路

AC 分析结果如图 3.27，在 4.67MHz 处的环路增益（V（out）/V(in)）的幅频特性增益为 0dB,对应相频特性曲线中相移为 90.31°，相位裕度为 89.69°，电路稳定。

图 3.27 增加补偿的 ADA4817 电路 AC 分析结果

综上，运用跨阻放大器处理光电传感器时，需要分析光电传感器内部等效电容，与电路反馈电阻构成新极点对电路相位裕度的影响，当电路不稳定时，应在小于 0.1 倍环路增益为 0dB 时的频率范围内增加零点调节电路稳定工作。

此外 ADI 提供了在线光电二极管检测电路设计工具，适合新手工程师使用。在 ADI 官网的精密信号链设计工具中选“Photodiode”进入图 3.28，光电传感器配置窗口。在“select photodiode formlibrary”项中，提供知名厂商的光电二极管型号，不在库中的光电二极管可以根据所使用参数，直接输入结电容 CD,源阻抗 Rs，最大电流值 IP 参数，然后点击进入“Circuit design”窗口，如图 3.29。工具还将推荐适合的跨阻放大器，反馈电阻 Rf 值，反馈电容 Cf 值，并计算信噪比值。在“Next Step”窗口可以下载包括 LTspice 电路的全部设计资料。

图 3.28 跨阻放大器设计工具 -- 光电传感器配置窗口