可編程增益級貢獻(xiàn)的噪聲

 

如果在跨阻放大器之后添加一個(gè)PGA，輸出端的噪聲將是PGA噪聲加上TIA噪聲乘以額外增益的和。例如，假設(shè)應(yīng)用需要1和10的增益，使用總輸入噪聲密度為10nV/√Hz的PGA，那么PGA造成的輸出噪聲將是10nV/√Hz或100nV/√Hz。

 

要計(jì)算系統(tǒng)的總噪聲，同樣可以對TIA的噪聲貢獻(xiàn)和PGA的噪聲貢獻(xiàn)求和方根，如圖1所示。本例假設(shè)PGA包括一個(gè)34 kHz濾波器?？梢钥吹?，增益為10時(shí)，TIA的噪聲貢獻(xiàn)乘以PGA增益后出現(xiàn)在PGA的輸出端。

 

圖1：TIA+PGA架構(gòu)的系統(tǒng)總噪聲

 

正如我們所預(yù)期的，PGA以10倍增益工作與PGA以1倍增益工作相比，輸出噪聲略大于10倍。

 

單增益級的噪聲優(yōu)勢

 

另一種方法是使用具有可編程增益的跨阻放大器，徹底消除PGA級。圖9顯示了具有兩個(gè)可編程跨阻增益（1MΩ和10MΩ）的理論電路。各跨阻電阻需要以自己的電容來補(bǔ)償光電二極管的輸入電容。為與上例保持一致，兩種增益設(shè)置下的信號帶寬仍為34kHz。這意味著，應(yīng)選擇一個(gè)0.47pF電容與10MΩ電阻并聯(lián)。這種情況下，使用1MΩ電阻時(shí)的輸出電壓噪聲與公式12相同。使用10MΩ跨阻增益時(shí)，較大的電阻導(dǎo)致較高的約翰遜噪聲、較高的電流噪聲（此時(shí)的電流噪聲乘以10MΩ而不是1MΩ）和較高的噪聲增益。同理，三個(gè)主要噪聲源為：

 

 

總輸出噪聲為：

 

 

在輸出端添加一個(gè)帶寬為34kHz的單極點(diǎn)RC濾波器可降低噪聲，系統(tǒng)總噪聲為460μVrms。由于增益較高，fp2更接近信號帶寬，因此降噪效果不如使用1MΩ增益那樣顯著。

 

圖2是兩種放大器架構(gòu)的噪聲性能小結(jié)。對于10MΩ的跨阻增益，總噪聲比兩級電路低大約12%。

 

圖2：系統(tǒng)總噪聲比較

 

可編程增益跨阻放大器

 

圖3顯示了一個(gè)可編程增益跨阻放大器。這是一個(gè)很好的概念設(shè)計(jì)，但模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻和漏電流會引入誤差。導(dǎo)通電阻引起電壓和溫度相關(guān)的增益誤差，漏電流引起失調(diào)誤差，特別是在高溫時(shí)。

 

圖3：可編程跨阻放大器

 

圖4所示電路在每個(gè)跨阻分支中使用兩個(gè)開關(guān)，從而避免了上述問題。雖然它需要的開關(guān)數(shù)量加倍，但左側(cè)開關(guān)的導(dǎo)通電阻在反饋環(huán)路內(nèi)，因此輸出電壓僅取決于通過所選電阻的電流。右側(cè)開關(guān)看似輸出阻抗，如果放大器驅(qū)動(dòng)ADC驅(qū)動(dòng)器等高阻抗負(fù)載，它產(chǎn)生的誤差可忽略不計(jì)。

 

圖4：帶開爾文開關(guān)的可編程增益跨阻放大器

 

圖4電路適用于DC和低頻，但在關(guān)斷狀態(tài)下，開關(guān)上的寄生電容是另一大難題。這些寄生電容在圖4中標(biāo)記為Cp，將未使用的反饋路徑連接到輸出端，因此會降低整體帶寬。圖5顯示這些電容最終如何連接到未選擇的增益分支，從而將跨阻增益變?yōu)檫x定增益與未選定增益衰減版本的并聯(lián)組合。

 

圖5：包括開關(guān)寄生電容的總反饋電容

 

根據(jù)所需的帶寬和反饋電阻，寄生電容可能導(dǎo)致放大器的預(yù)期行為與實(shí)測行為大不相同。例如，假設(shè)圖5中的放大器使用與上一電路相同的1MΩ和10MΩ值，相應(yīng)的電容分別為4.7pF和0.47pF，我們選擇10MΩ增益。如果各開關(guān)具有大約0.5pF的饋通電容，考慮寄生路徑，理想帶寬與實(shí)際帶寬的差異如圖6所示。

 

圖6：包括寄生開關(guān)電容的跨阻增益

 

解決該問題的一種方法是將各開關(guān)替換為兩個(gè)串聯(lián)開關(guān)。這樣，寄生電容將減半，但需要更多元件。圖7顯示了這種方法。

 

圖7：增加串聯(lián)開關(guān)以降低總寄生電容

 

如果應(yīng)用需要更高的帶寬，第三種方法是利用SPDT開關(guān)將每個(gè)未使用的輸入端連接到地。雖然各斷開開關(guān)的寄生電容仍在電路內(nèi)，但圖8b顯示了各寄生電容看起來是如何從運(yùn)算放大器的輸出端連接到地，或從未使用反饋分支的末端連接到地。從放大器輸出端到地的電容常常導(dǎo)致電路不穩(wěn)定和響應(yīng)振蕩，但在這種情況下，總寄生電容僅有幾pF，不會對輸出端產(chǎn)生嚴(yán)重影響。從反相輸入端到地的寄生電容會與光電二極管的分流電容和運(yùn)算放大器自有的輸入電容相加，與光電二極管的大分流電容相比，增加量微乎其微。假設(shè)各開關(guān)有0.5pF的饋通電容，運(yùn)算放大器輸出端將增加2pF負(fù)載，大部分運(yùn)算放大器都能毫無困難地驅(qū)動(dòng)。

 

圖8：使用SPDT開關(guān)的可編程TIA

 

但是，像任何事情一樣，圖8所示的方法也有缺點(diǎn)。它更復(fù)雜，對于兩個(gè)以上的增益可能難以實(shí)現(xiàn)。此外，反饋環(huán)路中的兩個(gè)開關(guān)會引入直流誤差和失真。根據(jù)反饋電阻的值不同，額外帶寬可能很重要，足以保證這種小誤差不影響電路工作。例如，對于1MΩ反饋電阻，ADG633 的導(dǎo)通電阻在室溫下產(chǎn)生大約50ppm的增益誤差和5μV的失調(diào)誤差。但是，如果應(yīng)用要求最高帶寬，那么可以說這是一個(gè)缺點(diǎn)。

 

結(jié)論

 

光電二極管放大器是大多數(shù)化學(xué)分析和材料鑒別信號鏈的基本組成部分。利用可編程增益，工程師可以設(shè)計(jì)儀器來精確測量非常大的動(dòng)態(tài)范圍。本文說明如何在實(shí)現(xiàn)高帶寬和低噪聲的同時(shí)確保穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)可編程增益TIA涉及到開關(guān)配置、寄生電容、漏電流和失真等挑戰(zhàn)，但選擇合適的配置并仔細(xì)權(quán)衡利弊可以實(shí)現(xiàn)出色的性能。

 

 

推薦閱讀：