跨阻放大器在光电传感电路中的稳定性分析与处理方法
放大器参数解析与LTspice仿真 2022-09-27
    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


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