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）

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。

　　图6. （a） TIA第一级后接PGA；（b） 可编程增益TIA