ZHCSJO8B May 2019 – December 2025 OPA818
PRODUCTION DATA
对于需要由具有相对较高互阻抗增益的大面积检测器提供高带宽的设计,将受益于 OPA818 的低输入电压噪声。这种输入电压噪声会在二极管源极电容的作用下随频率升高而增强,并且在许多情况下会成为输入灵敏度的限制因素。图 8-3 显示了具有节 8.2.1.1 中所定义参数的互阻抗电路。要使用互阻抗放大器须知 - 第 1 部分中提供的 Excel 计算器来帮助选择元件,需要确定总输入电容 CTOT。在该计算器中,CTOT 被称为 CIN。CTOT 是 CD、CDIFF 和 CCM 之和,为 7.4pF。使用该 CTOT 值、24MHz 的目标闭环带宽 (f–3dB) 以及 100kΩ 的互阻抗增益进行计算,结果表明需要一个 GBWP 约为 2.68GHz、反馈电容 (CF) 为 0.092pF 的放大器。表 8-2 显示了计算器的结果。这些结果对应的是一个巴特沃兹响应,其 Q = 0.707,相位裕度约为 65°,相当于过冲 4.3%。
| 计算器 II | ||
|---|---|---|
| 闭环 TIA 带宽 (f–3dB) | 24.00 | MHz |
| 反馈电阻 (RF) | 100 | kΩ |
| 输入电容 (CIN) | 7.40 | pF |
| 运算放大器增益带宽积 (GBWP) | 2678.14 | MHz |
| 反馈电容 (CF) | 0.092 | pF |
鉴于 OPA818 具有 2.7GHz GBWP,它是满足设计要求的绝佳选择。计算得出的元件结果在实际中面临一个挑战:如何实现 0.092pF 电容器。如此小的电容器可以通过使用由 C1、C2 和 CT 构成的 T 型电容网络来实现(请参阅图 8-3)。T 型网络的等效电容 CEQ 由方程式 2 给出:
该 T 型网络通过 C1 和 CT 构成从输入到输出的电容衰减器,并通过 C2 和 CT 构成从输出到输入的电容衰减器。由于 CT 的值高于 C1 或 C2,C1 只能“看到”输出信号的一小部分。此网络导致通过 C1 提供给输入端的分流电流大幅减小,减小分流电流的效果等效于小得多的电容器的行为。在固定频率下,较小的电容器具有较高的阻抗,因此电流减小。需保持从输入到输出以及相反方向具有相同的衰减水平。要为 T 型网络找到合适的电容值,可为电容器 C1 和 C2 任意选择一个较低但在实际中可实现且相等的值,设定 CEQ = CTOT,然后使用方程式 3 得出可调电容 CT 的值。图 8-3 中的电容器 C1、C2 和 CT 的值就是通过此过程确定的。
图 8-4 显示了图 8-3 中电路的 TINA-TI™ 仿真软件闭环带宽响应。该电路设计目标为 f–3dB = 24MHz,仿真得到的闭环 3dB 频率为 24.6MHz,增益峰值约为 0.1dB。在 TINA-TI 软件中进行仿真时,OPA818 TINA-TI 软件模型可对不在外部添加的输入共模和差分电容器进行建模。图 8-5 展示了 TIA 电路的噪声仿真。左侧 Y 轴显示的是输出参考电压噪声。右侧次级 Y 轴显示的是输入参考电流噪声,它本质上是输出参考电压噪声除以 100k 的互阻抗增益。仿真结果相当准确,因为 OPA818 TINA-TI 软件模型精确建模了放大器的电压和电流噪声性能。平坦带内的输出电压噪声为 41nV/√Hz,这相当于 0.41pA/√Hz的输入参考电流噪声。在放大器噪声增益为 1V/V 的相对低频区域,噪声主要由 100kΩ 电阻器的热噪声主导(27°C 时为 40.7nV/√Hz)。在超过由 RF 和 CTOT 形成的零点之后的中频段,放大器的噪声增益会放大其自身的电压噪声。从该频率开始,放大器噪声开始成为主要的噪声贡献者,之后在频率超过闭环 3dB 带宽时,输出噪声开始滚降。观察积分均方根 (RMS) 噪声会发现,中频噪声可能是一个重要的贡献因素。因此,应使用像 OPA818 这样的 2.2nV/√Hz 低噪声放大器,以最大限度降低系统中的总 RMS。