[组图]精密的单电源光检测电路设计方案

GBW）

将三个子模型（光电二极管、运放和反馈网络）组合起来可组成光检测电路的系统模型。如图5所示。

式（2）中,A_OL（jw ）是放大器在频率范围内的开环增益。b 是系统反馈系数,等于1/（1+Z_F/Z_IN）。1/b 也称作系统的噪声增益。

Z_IN是输入阻抗,等于R_PD//1/[jw （C_PD+C_CM+ C_DIFF）];Z_F是反馈阻抗,等于R_F //1/[jw （C_RF+C_F）]。

通过补偿A_OL（jw ）′ b 的相位可确定系统的稳定性,这可凭经验用A_OL（jw ）和1/b 的Bode图来实现。图6中的各图说明了这个概念。

开环增益频率响应和反馈系数的倒数（1/b ）之间的闭合斜率必须小于或等于－20dB/10倍频程。图6中（a）、（c）表示稳定系统,(b)、（d）表示不稳定系统。在（a）中,放大器的开环增益（A_OL（jw ））以零dB随频率变化并很快变化到斜率为 －20dB/10倍频程。尽管未在图中显示,但这个变化是由开环增益响应的一个极点导致的,并伴随着相位的变化,在极点以前开始以10倍频程变化。即在极点的10倍频程处,相移约为0° 。在极点发生的频率处,相移为－45° 。当斜率随着频率变化,到第二个极点时开环增益响应变化至－40dB/10倍频程。并再次伴随着相位的变化。第3个以零点响应出现,并且开环增益响应返回至－20dB/10倍频程的斜率。

图6 确定系统稳定性的Bode图

在同一个图中,1/b 曲线以零dB开始随频率变化。1/b 随着频率的增加保持平滑,直到曲线末尾有一个极点产生,曲线便开始衰减20dB/10倍频程。

图（a）中令人感兴趣的一点就是A_OL（jw ）曲线和1/b 曲线的交点。两条曲线交点的斜率示出了系统的相位容限,也预示着系统的稳定性。在图中,交点斜率为－20dB/10倍频程。在这种情况下,放大器将提供－90° 的相移,而反馈系数则提供零度相移。相移和系统的稳定性均由两条曲线的交点决定。1/b 相移和A_OL（jw ）相移相加,系统的相移为－90° ,容限为90° 。从理论上说,如果相位容限大于零度,系统是稳定的。但实际应用中相位容限至少应有45° 才能使系统稳定。

在图6的（c）中,A_OL（jw ）曲线和1/b 曲线的交点表示一个在一定程度上稳定的系统。此点 A_OL（jw ）曲线正以－20dB/10倍频程的斜率变化,而1/b 曲线正从20dB/10倍频程的斜率转换到0dB/10倍频程的斜率。A_OL(jw )曲线的相移为－90° 。1/b 曲线的相移则为－45° 。将这两个相移相加后,总的相移为－135° ,即相位容限为45° 。虽然该系统看上去较稳定,即相位容限大于0° ,但是电路不可能像计算或模拟那样理想化,因为电路板存在着寄生电容和电感。结果,具有这样大小的相位容限,这个系统只能是“一定程度上的稳定”。

图6中（b）、（d）均为不稳定系统。在（b）图中,A_OL（jw ）以－20dB/10倍频程的斜率变化。1/b 则以+20dB/10倍频程的斜率变化。这两条曲线的闭合斜率为40dB/10倍频程,表示相移为－180° ,相位容限为0° 。

在（d）图中,A_OL（jw ）以－40dB/10倍频程的斜率变化。而1/b 以0dB/10倍频程的斜率变化。两条曲线的闭合斜率为－40dB/10倍频程,表示相移为－180° 。

通过模拟可表明使用非理想的光电二极管和运放模型会造成相当数量的振铃或不稳定因素。在频率域内重新进行这种模拟会很快重现这种不稳定因素。

系统的不稳定性可用两种方法校正：（1）增加一个反馈电容C_F;（2）改进放大器,使其具有差分A_OL频率响应或差分输入电容。

改变反馈电容。系统中影响噪声增益1/b 频率响应的有光电二极管的寄生电容、运放的输入电容,其阻抗以Z_IN表示,放大器反馈环路的寄生元件,其阻抗以Z_F表示。

Z_IN = R_PD //1/[ jw （C_PD+C_CM+C_DIFF）]

Z_F = R_F //1/ [jw （C_RF+C_F）] （3）

从式（4）中容易地看出,加大C_F将降低f_P1,并降低高频增益[1+（C_PD+C_CM+C_DIFF）/（C_F+C_RF）]。