摘要采用电压反馈放大器（VFA）设计一个好的电流-电压转换器（跨阻放大器）富有挑战性。根据定义，受光线照射而产生电流或电压输出的二极管为光电二极管。跨阻放大器（TIA）用来将这个低电流转换为一个可用的电压信号，通常为了保证稳定工作需要对跨阻放大器做补偿处理。本文阐述了使用一个345 MHz轨到轨输出的电压反馈放大器，如美国国家半导体公司的LMH6611，来设计一个简单的跨阻放大器。本文的主要目标是提供跨阻放大器设计的有用信息，讨论了跨阻放大器的补偿和性能结果，并分析了跨阻放大器的输出噪声。带光电二极管和运算放大器内部电容，且接成跨阻放大器形式的一个电压反馈放大器如图1所示。30055201图1. 具有容性元件的光电二极管的建模由于可使用较大增益值（RF）下的低输入偏流，LMH6611可在低照度下运行。运算放大器反相端上的总电容（CT）包含光电二极管电容（CPD）和输入电容（CIN）。在电路的稳定性上总电容扮演了重要的角色。这个电路的噪声增益（NG）取决于稳定性，并定义为：(1)(2)图2所示是噪声增益与运算放大器的开环增益（AOL）相交的波特图。在较大的增益（RF）下，CT和RF在转移函数中针对跨阻放大器的设计考虑AN-1803www.national.com 2008 National Semiconductor Corporation 300552美国国家半导体公司 应用注解 1803 Maithil Pachchigar 2008年2月28日针对跨阻放大器的设计考虑产生一个零点。在较高频率下跨阻放大器可能会表现出固有的不稳定性，因为在环路中会有额外的相移。30055204图2. 噪声增益与运算放大器开环增益相交的波特图为了维持放大器的稳定性，在RF 两端跨接一个反馈电容器，这会在噪声增益函数中的fP处产生一个极点。为优化性能，选择适当的CF数值能使噪声增益斜率变得平坦，这样噪声增益就等于运算放大器在fP处的开环增益。这一噪声增益斜率的“平坦部分”超过AOL的截止点，结果使噪声增益得到45的相位裕量（PM）。因为噪声增益的fP极点会在截止点有一个45的超前相位，其贡献了45相位裕量（假定fP和fZ至少相距一个十倍频程）。等式3和等式4在理论上计算了最佳CF值和期望的-3 dB带宽。(3)(4)等式4表示跨阻放大器的-3 dB带宽与反馈电阻值成反比。因此，如果带宽是重要的性能，那么最好的方法是采用一个适中的跨阻增益级， 后接一个宽带电压增益级。表1是对带有不同容值的各种光电二极管在1 k跨阻增益（RF）下测量LMH6611的结果。CF和f-3dB的值由等式3和等式4计算得到。www.national.com2AN-1803表1 跨阻放大器（图1）的补偿和性能结果CPDCTCF 计算值CF使用值F-3dB 计算值F-3dB 测量值峰值（pf）（pf）（pf）（pf）（MHz）（MHz）（dB）22245.425.629.327.10.547497.75820.5210.510010211.151214.215.20.522222420.39189.610.70.533033220.2227.990.8注意：Vs= +/-2.5VGBW = 130 MHz CT = CPD + CIN CIN = 2pf图3是使用表1中不同光电二极管时放大器的频率响应。当全部所需的增益都设在跨阻放大器级时，信噪比将得到改善，这是因为噪声谱密度随RF的平方根的增加而增大，且信号是线性增加。30055207图3. 使用不同光电二极管时LMH6611的频率响应这是计算不同噪声源的基本知识。在分析跨阻放大器的输出噪声时，运算放大器噪声电压、反馈电阻热噪声、输入噪声电流和光电二极管噪声电流不会在同一频率范围都参与运算。运算放大器噪声电压会在噪声增益的零点和它的极点之间被放大。RF和CT的值越大，噪声增益峰值出现得越早，因此对于总输出噪声的贡献也会较大。等效总噪声电压由跨阻放大器输出的各噪声电压分量平方之和的平方根计算得出。概括如下，在跨阻放大器的稳定性中总电容起了重要作用，因此选取合适的运算放大器，或在二极管上加反向偏压（虽增大一些电流和噪声）对于把CT降到最小是有利的。本文亦展现了各种光电二极管配置以及实际使用的补偿方法，并证实了理论计算和实验测量结果很相符。AN-1803www.national.com3注释AN-1803针对跨阻放大器的设计考虑www.national.com对于上述任何电路的使用，美国国家半导体公司不承担任何责任且不默示任何电路专利许可。美国国家半导体公司保留随时更改上述电 路和规格的权利，恕不另行通知。 想了解最新的产品信息，请访问我们的网址：www.national.com。生命支持策略未经美国国家半导体公司的总裁和首席律师的明确书面审批，不得将美国国家半导体公司的产品作为生命支持设备或系统中的关键部件 使用。特此说明：1. 生命支持设备/系统指： （ a ）打算通过外科手术移植到体内的 生命支持设备或系统； （ b ）支持或维持生命，依照使用说明 书正确使用时，有理由认为其失效会造成用户严重伤害。2. 关键部件是在生命支持设备或系统中，有理由认为其失效会 造成生命支持设备/系统失效，或影响生命支持设备/系统的 安全性或效力的任何部件。禁用物质合规美国国家半导体公司制造的产品和使用的包装材料符合消费产品管理规范（CSP-9-111C2）以及相关禁用物质和材料规范 （CSP-9-111S2）的条款，不包含CSP-9-111S2限定的任何“禁用物质”。 无铅产品符合RoHS指令。National Semiconductor Americas Customer Support Center Email: new.feedbacknsc.com Tel: 1-800-272-9959National Semiconductor Europe Customer Support Center Fax: +49 (0) 180-530 85 86 Email: europe.supportnsc.com Deutsch Tel: +49 (0) 69 9508 6208 English Tel: +44 (0) 870 24 0 2171 Franais Tel: +33 (0) 1 41 91 8790National SemiconductorAsia Pacific Customer Support Center Email: ap.supportnsc.comNational Semiconductor Japan Customer Support Center Fax: 81-3-5639-7507 Email: jpn.feedbacknsc.com Tel: 81-3-5639-7560注释For more National Semiconductor product information and proven design tools, visit the following Web sites at:ProductsDesign SupportAmplifierswww.national.com/amplifiersWEBENCHwww.national.com/webenchAudiowww.national.com/audioAnalog Universitywww.national.com/AUClock Conditionerswww.national.com/timingApp Noteswww.national.com/appnotesData Converters www.national.com/adcDistributorswww.national.com/contactsDisplayswww.national.com/displaysGreen Compliancewww.national.com/quality/greenEthernetwww.national.com/ethernetPackagingwww.national.com/packagingInterfacewww.national.com/interfaceQuality and Reliabilitywww.national.com/qualityLVDSwww.national.com/lvdsReference Designswww.national.com/refdesignsPower Managementwww.national.com/powerFeedbackwww.national.com/feedbackSwitching Regulatorswww.national.com/switchersLDOswww.national.com/ldoLED Lightingwww.national.com/ledPowerWisewww.national.com/powerwiseSerial Digital Interface (SDI)www.national.com/sdiTemperature Sensorswww.national.com/tempsensorsWireless (PLL/VCO)www.national.com/wirelessTHE CONTENTS OF THIS DOCUMENT ARE PROVIDED IN CONNECTION WITH NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION (“NATIONAL”) PRODUCTS. NATIONAL MAKES NO REPRESENTATIONS OR WARRANTIES WITH RESPECT TO THE ACCURACY OR COMPLETENESS OF THE CONTENTS OF THIS PUBLICATION AND RESERVES THE RIGHT TO MAKE CHANGES TO SPECIFICATIONS AND PRODUCT DESCRIPTIONS AT ANY TIME WITHOUT NOTICE. NO LICENSE, WHETHER EXPRESS, IMPLIED, ARISING BY ESTOPPEL OR OTHERWISE, TO ANY INTELLECTUAL PROPERTY RIGHTS IS GRANTED BY THIS DOCUMENT. TESTING AND OTHER QUALITY CONTROLS ARE USED TO THE EXTENT NATIONAL DEEMS NECESSARY TO SUPPORT NATIONALS PRODUCT WARRANTY. EXCEPT WHERE MANDATED BY GOVERNMENT REQUIREMENTS, TESTING OF ALL PARAMETERS OF EACH PRODUCT IS NOT NECESSARILY PERFORMED. NATIONAL ASSUMES NO LIABILITY FOR APPLICATIONS ASSISTANCE OR BUYER PRODUCT DESIGN. BUYERS ARE RESPONSIBLE FOR THEIR PRODUCTS AND APPLICATIONS USING NATIONAL COMPONENTS. PRIOR TO USING OR DISTRIBUTING ANY PRODUCTS THAT INCLUDE NATIONAL COMPONENTS, BUYERS SHOULD PROVIDE ADEQUATE DESIGN, TESTING AND OPERATI