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