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當(dāng)放大器輸入、輸出管腳存在電容時(shí)，容易導(dǎo)致放大器電路不穩(wěn)定，這個(gè)電容可以是電容器、也可以是具有容性特征的器件。例如本篇將討論的光電二極管傳感器，筆者從事研發(fā)時(shí)也曾爬過(guò)這個(gè)坑。由于光電二極管內(nèi)部具有等效電容，所以在電路穩(wěn)定性分析時(shí)，還需要結(jié)合放大器輸入阻抗特征以及配置電路參數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)而將本篇內(nèi)容安排在《放大器相位裕度與電路穩(wěn)定性判斷方法》，與《放大器的輸入阻抗參數(shù)與應(yīng)用仿真》之后。
如圖 3.21（a）為典型的光電二極管傳感電路，光電二極管的電流信號(hào)通過(guò)跨阻放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。光電二極管可以等效為電阻，結(jié)電容，恒流源并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。
圖 3.21 光電二極管傳感電路
如圖 3.22 為濱松光電傳感器規(guī)格，S1277-1010BR 內(nèi)部電阻典型值為 2GΩ，結(jié)電容為 3nf。
圖 3.22 濱松光電傳感器參數(shù)
如圖 3.21（b），光電二極管傳感等效電路中,由 Rf、Cp、Cdi、Ccm 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，將對(duì)電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，極點(diǎn)頻率為式 3-10。
其中,Ctotal 為光電二極管結(jié)電容 Cp，輸入共模電容 Ccm，輸入差模電容 Cdiff 并聯(lián)之和。
如圖 3.24，使用 ADA4817 設(shè)計(jì)μA 級(jí)光電流傳感的交流分析等效電路。
圖 3.24 ADA4817 跨阻放大仿真電路
如圖 3.23，ADA4817 輸入共模電容為 1.3pf，輸入差模電容為 0.1pf，相比結(jié)電容的影響可以忽略。將上述電路參數(shù)代入式 3-10 可得：
圖 3.23 ADA4817 輸入特性
使用 LTspice 進(jìn)行 AC 分析結(jié)果如圖 3.25，在 478.95KHz 處環(huán)路增益（V（out）/V(in)）的幅頻特性增益為 0dB,對(duì)應(yīng)相頻特性相移達(dá)到 164.15°，相位裕度 15.85°，電路不穩(wěn)定。
圖 3.25 ADA4817 環(huán)路增益波特圖 AC 分析結(jié)果
為保證放大器穩(wěn)定工作，需要引入零點(diǎn)，其頻率應(yīng)小于 0.1 倍環(huán)路增益為 0dB 時(shí)的頻率,如式 3-11。
整理得到反饋電容值，為式 3-12。
將參數(shù)代入式 3-12,計(jì)算 Cf 為 33pf。如圖 3.26，將反饋電容配置在補(bǔ)償仿真電路中，再次進(jìn)行仿真。
圖 3.26 增加補(bǔ)償?shù)?ADA4817 電路
AC 分析結(jié)果如圖 3.27，在 4.67MHz 處的環(huán)路增益（V（out）/V(in)）的幅頻特性增益為 0dB,對(duì)應(yīng)相頻特性曲線(xiàn)中相移為 90.31°，相位裕度為 89.69°，電路穩(wěn)定。
圖 3.27 增加補(bǔ)償?shù)?ADA4817 電路 AC 分析結(jié)果
綜上，運(yùn)用跨阻放大器處理光電傳感器時(shí)，需要分析光電傳感器內(nèi)部等效電容，與電路反饋電阻構(gòu)成新極點(diǎn)對(duì)電路相位裕度的影響，當(dāng)電路不穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)在小于 0.1 倍環(huán)路增益為 0dB 時(shí)的頻率范圍內(nèi)增加零點(diǎn)調(diào)節(jié)電路穩(wěn)定工作。
此外 ADI 提供了在線(xiàn)光電二極管檢測(cè)電路設(shè)計(jì)工具，適合新手工程師使用。在 ADI 官網(wǎng)的精密信號(hào)鏈設(shè)計(jì)工具中選“Photodiode”進(jìn)入圖 3.28，光電傳感器配置窗口。在“select photodiode formlibrary”項(xiàng)中，提供知名廠商的光電二極管型號(hào)，不在庫(kù)中的光電二極管可以根據(jù)所使用參數(shù)，直接輸入結(jié)電容 CD,源阻抗 Rs，最大電流值 IP 參數(shù)，然后點(diǎn)擊進(jìn)入“Circuit design”窗口，如圖 3.29。工具還將推薦適合的跨阻放大器，反饋電阻 Rf 值，反饋電容 Cf 值，并計(jì)算信噪比值。在“Next Step”窗口可以下載包括 LTspice 電路的全部設(shè)計(jì)資料。
圖 3.28 跨阻放大器設(shè)計(jì)工具 -- 光電傳感器配置窗口
