设计目标

设计说明

此电路使用一个配置为跨阻放大器的运算放大器来放大光电二极管的交流信号（用 I_i 和 C₃ 表示）。通过在伺服环路中使用积分器，该电路可利用晶体管将直流电流从光电二极管中汇出，从而抑制直流信号。施加到同相输入的偏置电压可防止在没有输入电流的情况下输出在负电源轨上达到饱和。

设计说明

1. 使用具有低偏置电流的 JFET 或 CMOS 输入运算放大器降低直流误差。
2. 与反馈电阻器并联放置的电容器将限制带宽、提高稳定性并有助于降低噪声。
3. 光电二极管的结电容随反向偏置电压的变化而变化，这会影响电路的稳定性。
4. 反向偏置光电二极管可以降低暗电流的影响。
5. 积分放大器的输出端可能需要一个电阻 R₃。
6. 应使用发射极负反馈电阻 R₄ 来帮助稳定 BJT。
7. 在线性运行区域内使用运算放大器。通常在 A_OL 测试条件下指定线性输出摆幅。

设计步骤

该电路的传递函数为：

1. 计算反馈电阻 R₁ 的值以生成所需的输出摆幅。
   ${\text{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\text{oMax}}–{\mathrm{V}}_{\text{oMin}}}{{\mathrm{I}}_{\text{iMax}}-{\mathrm{I}}_{\text{iMin}}}=\frac{\text{4.5V 至 0.5V}}{\text{10µA–(–10µA)}}=\text{200kΩ}$
2. 计算限制信号带宽要求的反馈电容器。
   ${\text{C}}_1\text{=}\frac{\text{1}}{{\text{2π × R}}_1{\text{× f}}_{\mathrm{p}}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π x 200kΩ x 300kHz}}\text{= 2.65pF ≈ 2.7pF (Standard value)}$
3. 计算保持电路稳定所需的放大器的增益带宽。
   $\text{GBW =}\frac{{\text{C}}_{\mathrm{i}}{\text{+ C}}_1}{{\text{2π × R}}_1{{\text{x C}}_1}^2}\text{=}\frac{\text{23pF + 2.7pF}}{\text{2π x 200kΩ x}{\text{(2.7pF)}}^2}\text{= 2.97MHz}$

   其中：

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

   假设：

   • C_pd：光电二极管的结电容
   • C_b：BJT 的输出电容
   • C_d：放大器的差分输入电容
   • C_cm：反相输入的共模输入电容
4. 将积分器电路的截止频率 _fl 设置为 0.1Hz，以便只从光电二极管输出电流中减去接近直流的信号。截止频率由 R₂ 和 C₂ 设置。选择 R₂ 为 1MΩ。
   ${\text{C}}_2\text{=}\frac{\text{1}}{{\text{2π × R}}_2{\text{× f}}_{\mathrm{l}}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π x 1MΩ x 0.1Hz}}\text{= 1.59µF ≈ 2.2µF (Standard value)}$
5. 选择 100Ω 作为 R₃ 的值，以将 BJT 的电容与运算放大器隔离并稳定放大器。有关稳定性分析的更多信息，请参阅设计参考部分 [2]。
6. 通过将积分器电路的输入共模电压设置为 1/2 Vs 来偏置电路的输出。选择 100kΩ 作为 R₅ 和 R₆ 的值。
   $\text{Vcm =}\frac{{\mathrm{R}}_6}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_6}\text{x Vcc =}\frac{\text{100kΩ}}{\text{100kΩ + 100kΩ}}\text{x 5V = 2.5V}$
7. 计算电容器 C₂ 以过滤电源和电阻噪声。将截止频率设置为 1Hz。
   ${\text{C}}_2\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π x}{\text{(R}}_2{\text{|| R}}_3\text{) x 1Hz}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π x (100kΩ || 100kΩ) x 1Hz}}\text{= 3.183µF ≈ 4.7µF}$

设计仿真

直流仿真结果

瞬态仿真结果

积分器开环稳定性

TIA 稳定性结果

设计参考资料

1. 有关 TI 综合电路库的信息，请参阅模拟工程师电路说明书。
2. TI 高精度实验室

设计采用的运算放大器

设计备选运算放大器