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可编程增益跨阻放大器使光谱系统的动态范围达到最大二

发布时间:2020-06-30 17:57:27 阅读: 来源:排污阀厂家

选择外部元件以保证稳定性

图4a是一个很好的光电二极管放大器模型。该系统的开环传递函数有一个极点在28 Hz,由运算放大器的开环响应引起(参见数据手册),还有一个极点是由反馈电阻以及光电二极管的寄生电阻和电容引起。对于我们选择的元件值,此极点出现在1 kHz处,如公式1所示。

(1)

注意,Rsh 比 Rf大两个数量级,因此公式1可简化为:

(1a)

每个极点导致开环传递函数相移90°,总共相移180°,远低于开环幅度相移跨过0 dB的频率。如图4b所示,缺少相位裕量几乎必然导致电路振荡。

为确保稳定工作,可以放一个电容与Rf并联,从而给传递函数添加一个零点。此零点可将传递函数跨过0 dB时的斜率从40 dB/十倍频程降至20 dB/十倍频程,从而产生正相位裕量。设计至少应具有45°相位裕量才能保证稳定性。相位裕量越高,则响铃振荡越小,但响应时间会延长。电容添加到开环响应中的零点在闭环响应中变成极点,因此随着电容提高,放大器的闭环响应会降低。公式2显示如何计算反馈电容以提供45°相位裕量。

(2)

其中, fu 是运算放大器的单位增益频率。

此Cf 值决定系统能够工作的最高实际带宽。虽然可以选择更小的电容以提供更低的相位裕量和更高的带宽,但输出可能会过度振荡。此外,所有元件都必须留有余地,以便在最差情况下保证稳定性。本例选择 Cf = 4.7 pF,相应的闭环带宽为34 kHz,这是许多光谱系统的典型带宽。

图5显示了增加反馈电容后的开环频率响应。相位响应最低点在30°以下,但这与增益变为0 dB的频率相差数十倍频程,因此放大器仍将保持稳定。

图5. 使用1.2 pF反馈电容的光电二极管放大器开环响应

可编程增益TIA

设计可编程增益光电二极管放大器的一种方法是使用跨阻放大器,其增益能使输出保持在线性区域内,即便对于亮度最高的光线输入。这样,可编程增益放大器级就能在低光照条件下增强TIA的输出,对高强度信号实现接近1的增益,如图6a所示。另一个选择是直接在TIA中实现可编程增益,消除第二级,如图6b所示。

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