寬范圍光電二極管的跨阻抗放大器

　　光電二極管廣泛見諸于眾多的應用，其用于把光轉換為隨后可在電子電路中使用的電流或電壓。此類應用從太陽能電池到光數據網絡、從高精度儀器到色層分析再到醫療成像等均在其列。所有這些應用都需要用于對光電二極管輸出進行緩沖和調節的電路。對于那些需要高速和高動態范圍的應用，通常采用如圖 1 所示的跨阻抗放大器 （TIA） 電路。在該圖中，反饋電容顯示為一個寄生電容。對于許多應用來說，這是一個為確保穩定性而有意布設的電容器。

　　該電路讓光電二極管處于“光電導模式”，并在其負極上施加了一個偏置電壓。兩個運放輸入之間的虛擬連接把正極保持在地電位，從而在該光電二極管的兩端施加了一個恒定的反向偏置電壓。可以把光電二極管看作是一個電流源 （與光強成比例）、一個電容器、一個大的電阻器和一個所謂暗電流的全并聯連接。二極管兩端的偏置電壓越大，光電二極管電容往往會變得越小。雖然這對速度有益，但在實際中則受限于光電二極管承受大反向電壓的能力。

　　由光電二極管產生的電流 （IPD） 被 TIA 電路放大，并通過跨阻抗增益電阻器 （這里也稱為反饋電阻器，即 RF） 轉換為一個電壓。理想的情況是，該電流全部流過 RF （即：IFB = IPD），然而實際上，放大器會以運放輸入偏置電流的形式“竊取”部分該電流。此偏置電流在輸出端上產生一個誤差電壓并限制了動態范圍。增益電阻器越大，這種影響就越厲害。應選擇具有足夠低偏置電流 （以及輸入失調電壓和輸入失調電壓漂移） 的放大器以實現所需的動態范圍和總體準確度，這一點是很重要。

　　另一個考慮因素是運放輸入電流隨溫度變化的影響。采用雙極性輸入級的運放具有相當恒定的輸入電流。但是該電流即使在室溫條件下也是非常高 （達到 nA 甚至 μA 級），因而導致無緩沖雙極放大器不適合很多高跨阻抗增益應用。為此，相比于雙極放大器，人們通常優先選擇具有一個 FET 輸入級的運放，因為它們天生具有較低的輸入電流，在室溫條件下常常為個位數 pA 或更低。但是，輸入 ESD 保護二極管在變熱時會發生泄漏，從而造成輸入電流隨溫度呈指數性上升。一個在室溫下具有 pA 級偏置電流的運放在 125°C 時輸入電流達到 nA 級的情況并不少見。本文稍后將介紹一款通過 ESD 二極管的自舉來解決該問題的運放。另一種可選方案是使用一個分立的 FET 在放大器輸入端上對光電二極管進行緩沖，但這需要一個額外的組件 （相應地占用電路板空間），而且具有相對較高的輸入電容。

　　由于動態范圍是最大輸出信號與噪聲之比，因此應選擇具有足夠低噪聲的運放，這一點很重要。運放的電流噪聲和電壓噪聲均至關緊要，其影響程度的高低取決于 RF 和 CIN 的數值。輸入電容 CIN （見圖 2） 是光電二極管電容、放大器輸入電容和電路板雜散電容的組合。在跨阻抗放大器電路中，電流噪聲與 RF 相乘，因而使噪聲表現為一個輸出電壓誤差。另外，放大器的電壓噪聲與噪聲增益相乘。因此，對于較高的 RF 值，電流噪聲 （in） 變得更具支配作用，而對于采用高 CIN 的電路，則電壓噪聲 （en） 居主導地位。想找到一款兼具低電流噪聲和低電壓噪聲的運放會是一件十分棘手的事。

　　此外，輸入電容還限制了帶寬。有關于此的一種思考方法是：把輸入電容器的阻抗看作是傳統負輸出運放配置中的增益電阻器 （RG）。該電容器越大，則阻抗越小，而且運放“承受”的有效增益 （1 + RF/RG，常被稱為噪聲增益） 越大。由于放大器的帶寬與增益之間成反比關系 （因增益帶寬乘積的恒定特性之故），因此這意味著大的輸入電容將限制電路帶寬。對此也可以從穩定性的角度來思考。運放輸入端上的電容會在頻域中產生一個極點，或在時域中產生一個延遲。通過增設一個 （有意的，而不是寄生的） 反饋電容器 （CF），可對該極點進行補償以使電路穩定。該電容越大，對電路帶寬的限制也就越大。因此，應選擇一個具有低輸入電容的放大器，并謹慎地進行電路板的布局以消除雜散輸入電容和反饋電容，這一點很重要。請參見 LTC6268 產品手冊的第 14 頁和第 15 頁，以了解一些用于減小雜散反饋電容的實用主意，這些舉措在實踐中可使電路帶寬改善 4 倍以上。

　　具有 fA 級偏置電流的新型運放 LTC6268 是針對本文所述的高速、高動態范圍光電二極管電路所需之性能而優化的放大器范例。其利用片內 ESD 保護二極管的自舉實現了極低的輸入電流。通過創建輸入電壓的一個緩沖“副本”并將之饋入分離的 ESD 二極管，可在正常操作期間將二極管電壓和電流保持在極低的水平。結果是：在 85°C 和 125°C 溫度條件下分別提供了 0.9pA 和 4pA 的保證最大輸入電流。典型輸入電流性能示于圖 3。雖然該電流仍然隨溫度的升高而增大，但是與其他放大器相比其增幅低了幾個數量級。LTC6268 提供了 500MHz 增益帶寬，從而實現了 LTC6268 產品手冊中所示的單級電路 （從 20kΩ 跨阻抗增益和 65MHz 帶寬至 499kΩ 跨阻抗增益和 11.2MHz 帶寬）。由于只采用了 0.45pF 輸入電容，因此在總的電路電容中 LTC6268 只占了很小的一部分，因而保持了高帶寬。LTC6268 的輸入參考電壓和電流噪聲分別為 4.3nV/√Hz （在 1MHz） 和 5.5fA/√Hz （在 100kHz）。而且，LTC6268 的寬帶寬、低失真和高擺率使其適合于高速數字化應用。

　　盡管市面上銷售的運放數以百計 （假如不是數以千計的話），然而要找到一款用于高速、高動態范圍光電二極管電路的合適跨阻抗放大器卻是非常具挑戰性。每個電路都有其一組獨特的性能特征要求，包括極低的輸入偏置電流和輸入電流溫度漂移、高速度 （例如：增益帶寬乘積和擺率）、低電壓和電流噪聲的正確平衡、以及低輸入電容。另外，還應特別謹慎地對待電路板布局，以最大限度地減小將會對電路的準確度和速度產生限制的漏電流和雜散電容。LTC6268 代表了一種針對高性能 TIA 應用而優化的新型運放。