光敏应用的首要工作是让跨阻抗放大器电路拥有良好的稳定性。WEBENCH设计器工具 TI 开发人员致力于为客户提供拥有 60°相位裕量的光敏设计，也即约 8.7% 的阶跃输入信号过冲。b8【中国自动化网社区】4f1c89【http://sns.ca800.com】42b

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WEBENCH设计器工具拥有强大的软件算法和可视界面，可在数秒内生成完整的电源、照明和传感检测应用。这种功能，可让用户在进行设计以前进行系统和供应链层面的价值比较。WEBENCH 环境中内嵌了众多工具，其中之一便是“传感设计器”的光电二极管部分。本文将专门为您介绍 WEBENCH 传感设计器的嵌入式光电二极管电路稳定性。79e5【中国自动化网社区】250cd6【http://sns.ca800.com】52485

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忽略稳定性的后果033936【中国自动化网社区】b149bc【http://sns.ca800.com】149

很多光敏应用均使用光电二极管前置放大器 (preamp) 电路。这些电路将来自 LED 或者光源的光信息转换为有效电压。使用零偏置电压的精密光电导电路(photoZB) 以及负或者反向偏置电压的高速光电导电路 (photoRB) 时，内嵌电路相位裕量便至关重要。一些使用光电二极管前置放大器的精密 photoZB 应用包括 CT 扫描仪、血液分析仪、烟雾探测器和位置传感器。这些精密电路要求电压反馈放大器拥有低输入偏置电流、低偏移电压和低噪声。利用检测数字光信号的低精密度 photoRB 应用包括条形码扫描仪和光纤接收机。这些高速应用电路要求电压反馈放大器拥有更大的带宽。033936【中国自动化网社区】b149bc【http://sns.ca800.com】149

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设计光电二极管前置放大器电路的最简单方法是将光电二极管放置于放大器输入之间，非反向输入接地，并在反馈环路中放置一个电阻器。这样，您便可以在有或者没有偏置电压的情况下对光敏光电二极管进行配置。在精密 photoZB 结构（请参见图 1a）中，输入放大器需要有一个低输入偏置电流和低偏移电压的 FET 或者 CMOS 输入结构。在该电路中，光电二极管阴极连接放大器反向输入，而光电二极管阳极接地。该电路的光电二极管传感器为零偏置。就光电二极管的阳极和阴极而言，注意电流 I_PH 的方向。2373【中国自动化网社区】27131f【http://sns.ca800.com】ada1c9

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图 1 光电二极管预放大结构2373【中国自动化网社区】27131f【http://sns.ca800.com】ada1c9

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如果数字速度和快速响应时间很重要，则 photoRB 结构（请参见图 1b）使用反向偏置电压的光电二极管。这种反向偏置电压在光电二极管形成漏电流。但是，相比 photoZB 结构，光电二极管的寄生电容相当的低。光电二极管电容的减少，增加了电路的带宽。反向偏置光电二极管前置放大器配置使用的放大器，可以使用 FET、CMOS 或者双极输入；但是，放大器的带宽越高越好。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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不管是哪种结构，光电二极管的入射光都会使电流 (I_PH) 经二极管从阴极流至阳极。该电流还会流经反馈电阻器 R_F，从而引起电阻器出现压降。放大器输入级使放大器反向输入保持在接地电平左右。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 1a 和 1b 所示简易解决方案通常不会成功。图 2 显示了一个阶跃输入光信号如何在放大器输出端 V_OUT 产生可怕的振铃。如果幸运的话，这种光敏电路也可能不会出现振铃，但我们最好是理解并对这种稳定性问题进行补偿。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 2 未经补偿的 photoZB 光电二极管电路cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 3 中，在反馈环路中添加的电容 C_F 改变了电路的整体相位裕量，并消除了输出信号的振荡。但是，由于 C_F 值设置过高，导致这种简易解决方案过渡补偿，从而使放大器输出传输过慢。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 3 过渡补偿的光电二极管电路cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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在photoZB应用中，图 3 所示过渡补偿或许能够接受，但相比适当补偿的电路，这种电路的功耗和噪声更高。至于 photoRB 应用，这种电路响应则不可接受，因为它没有产生较好的方波响应。由于 photoRB 电路依赖于无噪数字方波信号，因此我们需要更多地关注图 2 和 3 所示结构，以获得正确的补偿。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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光电二极管补偿作用因素cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

该跨阻抗放大器的目标相位裕量为 60°。就阶跃响应而言，这种相位裕量可实现8.7%的过冲（请参见图 4）。一些设计人员会说，这种双极系统正确的相位裕量应为 45°。如图 4 所示，45°相位裕量电路的阶跃响应为 22.5%。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 4 过冲响应与相位裕量的关系cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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理论上而言，两种相位裕量都可以实现稳定的电路设计；但是，我们还没有考虑到放大器带宽、电阻、电容和杂散电容的变化。这些变化都会对 45°相位裕量的电路产生极大的不利影响。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 3 所示简易电路的正确补偿，要求我们清楚地了解电容和电阻作用因素。图 5 显示了一个系统模型，其包括一个反馈网络（R_F 和 C_F）和一个运算放大器。后面的讨论将为您介绍，所有电容组成部分结合在一起以后，如何对电路的频率响应产生直接的影响。在安装硬件或者进行手动计算以前，我们可以首先使用WEBENCH传感器设计工具来生成良好系统稳定性的设计。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 5光电探测器电路的系统模型cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 5 所示双极系统电路的传输函数为：cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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其中 β 为噪声增益的倒数，即：cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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Z_IN 为输入网络阻抗，即：cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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Z_F 为反馈网络阻抗，即：cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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运用代数计算方法得到系统极点频率 f_p 和系统零频率 f_z 的方程式分别为：cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 6 以图形的方式显示了系统的频率响应。该图中，f_i 为反馈系统（1/β）和放大器开环增益 (A_OL) 之间的截止频率。频率 f_BW 为放大器的增益带宽积。该系统中，DC 增益 G1 由电阻器 R_F 和 R_SH 决定。注意，反馈电阻 (R_F) 在第二项的分子中，而输入电阻 (R_SH) 在分母中。该系统的高频增益 G2 依赖于系统的电容。请注意，第二项的分子包含输入电容的和，而分母则包含电路的反馈电容(C_F)。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 6 光电二极管电路的频率响应cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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稳定性设计原则cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

极点频率 (f_p) 和 1/β 和 A_OL 之间截止频率的分布情况，决定这种电路的稳定性。反馈曲线和放大器开增益曲线相交的点，决定了电路的稳定性。特别是，f_i 的相位裕量决定电路所产生的振铃或者过冲的类型和大小。例如，如果 f_p 等于 f_i，则电路相位裕量为 45°。45° 相位裕量在方波输入信号上产生 ~22.5% 的过冲。如果电路的相位裕量等于 ~60°，则该极的角频率出现在放大器 A_OL 曲线交叉之前（请参见图 6）。如果 f_p 的角频率低于 A_OL 截止频率，则设计拥有 60° 的相位裕量是可能的。60° 相位裕量得到 ~8.7% 的方波输入信号过冲。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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WEBENCH实施cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

PhotoRB 检测网络的 WEBENCH 实施包括为理想60° 相位裕量选择正确的反馈电容器 (C_F)，选择正确的放大器，并遵守电路的 ADC 建议。WEBENCH 传感器设计工具提供一个工作电路，以及一块可以买到的、没有安装组件的印制电路板。图 7 显示了 WEBENCH photoRB 系统的结构图。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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图 7 photoRB 应用电路的 WEBBENCH 实施cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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结论cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

要想设计一个拥有良好稳定性的光敏电路，您需要遵循一些方法。WEBENCH传感器设计工具功能强大，可以为您提供拥有稳定 60° 相位裕量的电路。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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参考文献cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

1、《跨阻抗放大器噪声问题》，作者：Bonnie C. Baker，（2008 年 10 月 2 日），发表于《EDN》（在线版），地址：http://www.edn.com。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

2、《跨阻抗放大器稳定性是光敏应用的关键》，作者：Bonnie C. Baker，（2008年9月4日），发表于《EDN》（在线版），地址：http://www.edn.com。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

3、《利用集成光电二极管/运算放大器提高光敏性能》，作者：Bonnie C. Baker，1996年6月1日发表于《加拿大电子》。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

4、《光电二极管放大器》，作者：Jerald G. Graeme，发表于1996年《Boston: McGraw-Hill》。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

5、《跨阻抗放大器的理解与应用（第1部分，共2部分）》，作者：David Westerman，（2007年8月8日），发表于《EE时代》（在线版），地址：http://eetimes.com。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

6、《跨阻抗放大器的理解与应用（第2部分，共2部分）》，作者：David Westerman，（2007年8月10日），发表于《EE时代》（在线版），地址：http://eetimes.com。cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

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相关网站cbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

数据转换器：www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/dataconverters/data_converter.pagecbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

WEBENCH 设计中心：www.ti.com.cn/webenchcbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85

WEBENCH Designer：www.ti.com/ww/en/analog/webench/sensors/index.shtmlcbc【中国自动化网社区】11edbe【http://sns.ca800.com】d6c85