在光电流应用中补偿电流反馈放大器

简介
电流反馈放大器(CFA)历来都不是跨阻放大器(TIA)的首选，因为它们具有较高的反相输入电流和反相输入电流噪声，可能比同等级 电压反馈放大器(VFA)至少高出一个数量级。另外，许多系统设计师对CFA并不熟悉，因为不大愿意使用它们。然而，事实上，CFA使用起来非常简单，而 且在要求高增益、低功耗、低噪声、宽带宽和高压摆率的应用中，其性能可能超过VFA。其主要优势之一是，一个理想CFA的环路增益独立于其闭环增益，为此，CFA可以实现出色的谐波失真和带宽性能，而不受其闭环增益的影响。

因超低的输入偏置电流和输入电流噪声，FET输入运算放大器往往是TIA应用的首选，尤其是将低输出电流器件（如光电 元件）用作输入电流源的应用。尽管FET输入放大器在诸多此类应用中技高一筹，但其速度却可能无法满足需要更快性能的系统要求。因此，在可以耐受较大噪 声、速度更快的系统中，越来越多地将CFA用作TIA。

本文旨在探讨光电二极管或其他光-电流传感器的寄生电容对用作TIA的CFA的影响，以及如何针对这种电容对放大器进 行补偿。同时简要介绍CFA运行模式，并说明CFA和VFA分析法之间的相似之处。本文不使用VFA电路"噪声增益"或者CFA电路"反馈阻抗"分析法。 相反，采用基于环路增益的经典反馈理论，以避免在电流和电压域之间来回转换时遇到的困难（环路增益始终是一个无维度的量），而且该理论还可产生直观、易用 的波特图。

电流反馈放大器的基本知识
理想的CFA的输入阻抗为零——其输入端跨接完全短路——因为负反馈信号为电流。相对地，理想的VFA的输入阻抗则是无穷大，因为其 反馈信号为电压。CFA检测在其输入端中流过的误差电流，并形成等于Z与输入电流之积的输出电压，其中，Z表示跨阻增益。须正确定义误差电流的方向，以产 生负反馈。与VFA中的A相似，在理想CFA中，Z接近无穷大。图1所示基本原理展示了如何将理想的CFA配置成TIA，以便将来自理想电流源的电流转换 为输出电压。

图1. 用作TIA的理想CFA

该TIA的闭环增益可以表示为

等式1表示，Z接近无穷大，TIA增益则接近其理想值R_F。随着Z接近无穷大，误差电流i_e接近零，所有输入电流均流过R_F。在等式1中，环路增益表示为 。

不幸的是，理想的CFA是不存在的，因此，实用器件一般都退而求其次：在其输入端跨接一个单位增益缓冲器。电流镜将误差电流反射至一个高阻抗节点，在此，误差电流被转换成电压，缓冲后馈入输出端，如图2所示。

图2. 用作TIA的实用CFA（带单位增益缓冲器）

只要R_o = 0，则闭环增益与等式1中的闭环增益相同。当R_o > 0时，闭环增益变成

且环路增益为。

使用实用元件设计TIA
光电二极管和其他光电器件表现出一种与器件面积成比例的寄生分流电容。当R_o = 0时，该电容完全自举，因而不会影响闭环响应。在实际CFA中，R_o > 0，并且寄生电容会影响响应，结果可能导致电路不稳定。另外，就像VFA中的开环增益A一样，在实际CFA中，Z的幅度在低频下较大，随着频率的增加而滚 降，而随着频率的增加，相移表现出更大迟滞。对于一阶，Z(s)的特性可以描述为单个主极点，其中，s = p 直流跨阻为ZO，如等式3所示。Z(s)中的高频极点稍后再作讨论。

图3中的电路包含寄生电容C和跨阻Z(s)。请注意，CFA的反相输入电容可以并入C。

图3. 基于实用型CFA的TIA（含寄生电容）

通过在反相输入端执行KCL，可求得等式4。

误差电流，i_e，为

结合等式4和等式5，可以得到如下结果，即图3所示电路的闭环TIA增益：

等式6中的环路增益非常明显，可通过以下等式求得

环路增益含有两个极点，一个低频极点（ s = p ）以及一个高频极点 。当R_o<< R_F时，R_F 和 R_o 的并联结果可以通过 R_o近似求出。如果在高频极点发生的频率下，环路增益的幅度大于0 dB，则这两个极点会带来稳定性问题。当R_o 和C较小时，寄生极点发生的频率高于交越频率，放大器稳定。但在多数TIA电路中，情况并非如此，因此，我们必须找到一种办法，对反相输入寄生电容进行补偿。