設(shè)計目標

設(shè)計說明

此電路使用一個配置為跨阻放大器的運算放大器來放大光電二極管的交流信號（用 I_i 和 C₃ 表示）。通過在伺服環(huán)路中使用積分器，該電路可利用晶體管將直流電流從光電二極管中匯出，從而抑制直流信號。施加到同相輸入的偏置電壓可防止在沒有輸入電流的情況下輸出在負電源軌上達到飽和。

設(shè)計說明

1. 使用具有低偏置電流的 JFET 或 CMOS 輸入運算放大器降低直流誤差。
2. 與反饋電阻器并聯(lián)放置的電容器會限制帶寬，提高穩(wěn)定性并有助于降低噪聲。
3. 光電二極管的結(jié)電容隨反向偏置電壓的變化而變化，這會影響電路的穩(wěn)定性。
4. 反向偏置光電二極管可以降低暗電流的影響。
5. 積分放大器的輸出端需要一個電阻 (R₃)。
6. 必須使用發(fā)射極負反饋電阻 (R₄) 來幫助穩(wěn)定 BJT。
7. 在線性運行區(qū)域內(nèi)使用運算放大器。通常在 A_OL 測試條件下指定線性輸出擺幅。

設(shè)計步驟

該電路的傳遞函數(shù)為：

1. 計算反饋電阻 R₁ 的值以生成所需的輸出擺幅。
   ${\text{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\text{oMax}}–{\mathrm{V}}_{\text{oMin}}}{{\mathrm{I}}_{\text{iMax}}–{\mathrm{I}}_{\text{iMin}}}=\frac{\text{4.5V – 0.5V}}{\text{10μA – (–10μA)}}=\text{200kΩ}$
2. 計算限制信號帶寬要求的反饋電容器。
   ${\text{C}}_1\text{=}\frac{\text{1}}{{\text{2π × R}}_1{\text{× f}}_{\mathrm{p}}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π × 200k? × 300kHz}}\text{= 2.65pF ≈ 2.7pF (Standard Value)}$
3. 計算保持電路穩(wěn)定所需的放大器的增益帶寬。
   $\text{GBW =}\frac{{\text{C}}_{\mathrm{i}}{\text{+ C}}_1}{{\text{2π × R}}_1{{\text{× C}}_1}^2}\text{=}\frac{\text{23pF + 2.7pF}}{\text{2π × 200kΩ ×}{\text{(2.7pF)}}^2}\text{= 2.97MHz}$

   其中：

   ${\mathrm{C}}_{\mathrm{i}}={\mathrm{C}}_{\mathrm{pd}}+{\mathrm{C}}_{\mathrm{b}}+{\mathrm{C}}_{\mathrm{d}}+{\mathrm{C}}_{\mathrm{cm}}\text{= 10pF + 5pF + 4pF + 4pF = 23pF}$

   假設(shè)：

   • C_pd：光電二極管的結(jié)電容
   • C_b：BJT 的輸出電容
   • C_d：放大器的差分輸入電容
   • C_cm：反相輸入的共模輸入電容
4. 將積分器電路的截止頻率 _fl 設(shè)置為 0.1Hz，以便只從光電二極管輸出電流中減去接近直流的信號。截止頻率由 R₂ 和 C₂ 設(shè)置。選擇 R₂ 為 1M?。
   ${\text{C}}_2\text{=}\frac{\text{1}}{{\text{2π × R}}_2{\text{× f}}_{\mathrm{l}}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π × 1MΩ × 0.1Hz}}\text{= 1.59μF ≈ 2.2μF (Standard Value)}$
5. 選擇 100? 作為 R₃ 的值，以將 BJT 的電容與運算放大器隔離并穩(wěn)定放大器。有關(guān)穩(wěn)定性分析的更多信息，請參閱設(shè)計參考部分 (2)。
6. 通過將積分器電路的輸入共模電壓設(shè)置為 1/2 Vs 來偏置電路的輸出。選擇 100k? 作為 R₅ 和 R₆ 的值。
   $\text{Vcm =}\frac{{\mathrm{R}}_6}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_6}\text{× Vcc =}\frac{\text{100kΩ}}{\text{100kΩ + 100kΩ}}\text{× 5V = 2.5V}$
7. 計算電容器 C₂ 以過濾電源和電阻噪聲。將截止頻率設(shè)置為 1Hz。
   ${\text{C}}_2\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π ×}{\text{(R}}_2{\text{|| R}}_3\text{) × 1Hz}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π × (100kΩ || 100kΩ) × 1Hz}}\text{= 3.183μF ≈ 4.7μF}$

設(shè)計仿真

直流仿真結(jié)果

瞬態(tài)仿真結(jié)果

積分器開環(huán)穩(wěn)定性

TIA 穩(wěn)定性結(jié)果

設(shè)計參考資料

1. 有關(guān) TI 綜合電路庫的信息，請參閱模擬工程師電路說明書。
2. TI 高精度實驗室
3. ：SPICE 仿真文件

設(shè)計特色運算放大器

設(shè)計備選運算放大器