光敏應用的首要工作是讓跨阻抗放大器電路擁有良好的穩定性。WEBENCH® 設計器工具TI 開發人員致力于為客戶提供擁有60°相位裕量的光敏設計，也即約8.7% 的階躍輸入信號過沖。
WEBENCH設計器工具擁有強大的軟件算法和可視界面，可在數秒內生成完整的電源、照明和傳感檢測應用。這種功能，可讓用戶在進行設計以前進行系統和供應鏈層面的價值比較。WEBENCH 環境中內嵌了眾多工具，其中之一便是“傳感設計器”的光電二極管部分。本文將專門為您介紹WEBENCH 傳感設計器的嵌入式光電二極管電路穩定性。
忽略穩定性的后果
很多光敏應用均使用光電二極管前置放大器(preamp) 電路。這些電路將來自LED 或者光源的光信息轉換為有效電壓。使用零偏置電壓的精密光電導電路(photoZB) 以及負或者反向偏置電壓的高速光電導電路(photoRB) 時，內嵌電路相位裕量便至關重要。一些使用光電二極管前置放大器的精密photoZB 應用包括CT 掃描儀、血液分析儀、煙霧探測器和位置傳感器。這些精密電路要求電壓反饋放大器擁有低輸入偏置電流、低偏移電壓和低噪聲。利用檢測數字光信號的低精密度photoRB 應用包括條形碼掃描儀和光纖接收機。這些高速應用電路要求電壓反饋放大器擁有更大的帶寬。
設計光電二極管前置放大器電路的最簡單方法是將光電二極管放置于放大器輸入之間，非反向輸入接地，并在反饋環路中放置一個電阻器。這樣，您便可以在有或者沒有偏置電壓的情況下對光敏光電二極管進行配置。在精密photoZB 結構（請參見圖1a）中，輸入放大器需要有一個低輸入偏置電流和低偏移電壓的FET 或者CMOS 輸入結構。在該電路中，光電二極管陰極連接放大器反向輸入，而光電二極管陽極接地。該電路的光電二極管傳感器為零偏置。就光電二極管的陽極和陰極而言，注意電流IPH 的方向。
圖1 光電二極管預放大結構
如果數字速度和快速響應時間很重要，則photoRB 結構（請參見圖1b）使用反向偏置電壓的光電二極管。這種反向偏置電壓在光電二極管形成漏電流。但是，相比photoZB 結構，光電二極管的寄生電容相當的低。光電二極管電容的減少，增加了電路的帶寬。反向偏置光電二極管前置放大器配置使用的放大器，可以使用FET、CMOS 或者雙極輸入；但是，放大器的帶寬越高越好。
不管是哪種結構，光電二極管的入射光都會使電流(IPH) 經二極管從陰極流至陽極。該電流還會流經反饋電阻器RF，從而引起電阻器出現壓降。放大器輸入級使放大器反向輸入保持在接地電平左右。
圖1a 和1b 所示簡易解決方案通常不會成功。圖2 顯示了一個階躍輸入光信號如何在放大器輸出端VOUT 產生可怕的振鈴。如果幸運的話，這種光敏電路也可能不會出現振鈴，但我們最好是理解并對這種穩定性問題進行補償。
圖2 未經補償的photoZB 光電二極管電路
圖3 中，在反饋環路中添加的電容CF 改變了電路的整體相位裕量，并消除了輸出信號的振蕩。但是，由于CF 值設置過高，導致這種簡易解決方案過渡補償，從而使放大器輸出傳輸過慢。
圖3 過渡補償的光電二極管電路
在photoZB應用中，圖3 所示過渡補償或許能夠接受，但相比適當補償的電路，這種電路的功耗和噪聲更高。至于photoRB 應用，這種電路響應則不可接受，因為它沒有產生較好的方波響應。由于photoRB 電路依賴于無噪數字方波信號，因此我們需要更多地關注圖2 和3 所示結構，以獲得正確的補償。
光電二極管補償作用因素
該跨阻抗放大器的目標相位裕量為60°。就階躍響應而言，這種相位裕量可實現8.7%的過沖（請參見圖4）。一些設計人員會說，這種雙極系統正確的相位裕量應為45°。如圖4 所示，45°相位裕量電路的階躍響應為22.5%。
圖4 過沖響應與相位裕量的關系
理論上而言，兩種相位裕量都可以實現穩定的電路設計；但是，我們還沒有考慮到放大器帶寬、電阻、電容和雜散電容的變化。這些變化都會對45°相位裕量的電路產生極大的不利影響。
圖3 所示簡易電路的正確補償，要求我們清楚地了解電容和電阻作用因素。圖5 顯示了一個系統模型，其包括一個反饋網絡（RF 和CF）和一個運算放大器。后面的討論將為您介紹，所有電容組成部分結合在一起以后，如何對電路的頻率響應產生直接的影響。在安裝硬件或者進行手動計算以前，我們可以首先使用WEBENCH傳感器設計工具來生成良好系統穩定性的設計。
圖5光電探測器電路的系統模型
圖5 所示雙極系統電路的傳輸函數為：
其中β為噪聲增益的倒數，即：
ZIN 為輸入網絡阻抗，即：
ZF 為反饋網絡阻抗，即：
運用代數計算方法得到系統極點頻率fp 和系統零頻率fz 的方程式分別為：
圖6 以圖形的方式顯示了系統的頻率響應。該圖中，fi 為反饋系統（1/β）和放大器開環增益(AOL) 之間的截止頻率。頻率fBW 為放大器的增益帶寬積。該系統中，DC 增益G1 由電阻器RF 和RSH 決定。注意，反饋電阻(RF) 在第二項的分子中，而輸入電阻(RSH) 在分母中。該系統的高頻增益G2 依賴于系統的電容。請注意，第二項的分子包含輸入電容的和，而分母則包含電路的反饋電容(CF)。
圖6 光電二極管電路的頻率響應
穩定性設計原則
極點頻率(fp) 和1/β 和AOL 之間截止頻率的分布情況，決定這種電路的穩定性。反饋曲線和放大器開增益曲線相交的點，決定了電路的穩定性。特別是，fi 的相位裕量決定電路所產生的振鈴或者過沖的類型和大小。例如，如果fp 等于fi，則電路相位裕量為45°。45° 相位裕量在方波輸入信號上產生~22.5% 的過沖。如果電路的相位裕量等于~60°，則該極的角頻率出現在放大器AOL 曲線交叉之前（請參見圖6）。如果fp 的角頻率低于AOL 截止頻率，則設計擁有60° 的相位裕量是可能的。60° 相位裕量得到~8.7% 的方波輸入信號過沖。
WEBENCH實施
PhotoRB 檢測網絡的WEBENCH 實施包括為理想60° 相位裕量選擇正確的反饋電容器(CF)，選擇正確的放大器，并遵守電路的ADC 建議。WEBENCH 傳感器設計工具提供一個工作電路，以及一塊可以買到的、沒有安裝組件的印制電路板。圖7 顯示了WEBENCH photoRB 系統的結構圖。
圖7 photoRB 應用電路的WEBBENCH 實施
結論
要想設計一個擁有良好穩定性的光敏電路，您需要遵循一些方法。WEBENCH傳感器設計工具功能強大，可以為您提供擁有穩定60° 相位裕量的電路。
參考文獻
1、《跨阻抗放大器噪聲問題》，作者：Bonnie C. Baker，（2008 年10 月2 日），發表于《EDN》（在線版），地址：http://www.edn.com。
2、《跨阻抗放大器穩定性是光敏應用的關鍵》，作者：Bonnie C. Baker，（2008年9月4日），發表于《EDN》（在線版），地址：http://www.edn.com。
3、《利用集成光電二極管/運算放大器提高光敏性能》，作者：Bonnie C. Baker，1996年6月1日發表于《加拿大電子》。
4、《光電二極管放大器》，作者：Jerald G. Graeme，發表于1996年《Boston: McGraw-Hill》。
5、《跨阻抗放大器的理解與應用（第1部分，共2部分）》，作者：David Westerman，（2007年8月8日），發表于《EE時代》（在線版），地址：http://eetimes.com。
6、《跨阻抗放大器的理解與應用（第2部分，共2部分）》，作者：David Westerman，（2007年8月10日），發表于《EE時代》（在線版），地址：http://eetimes.com。
相關網站
數據轉換器：www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/dataconverters/data_converter.page
WEBENCH 設計中心：www.ti.com.cn/webench
WEBENCH Designer：www.ti.com/ww/en/analog/webench/sensors/index.shtml