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互阻抗放大器是一款通用運算放大器，其輸出電壓取決于輸入電流和反饋電阻器：

我經(jīng)常見(jiàn)到圖 1 所示的這款用來(lái)放大光電二極管輸出電流的電路。幾乎所有互阻抗放大器電路都需要一個(gè)與反饋電阻器并聯(lián)的反饋電容器 (CF)，用以補償放大器反相節點(diǎn)的寄生電容，進(jìn)而保持穩定性。

有大量文章都介紹了在使用某種運算放大器時(shí)應如何選擇反饋電容器，但我認為這根本就是錯誤的方法。

不管我們半導體制造商相信什么，工程師都不會(huì )先選擇運算放大器，然后再通過(guò)它構建電路！大部分工程師都是先羅列一系列性能要求，再尋找能滿(mǎn)足這些要求的部件。

鑒于這種考慮，最好先確定電路中允許的最大反饋電容器，然后選擇一個(gè)具有足夠增益帶寬積 (GBW) 的運算放大器，以便能與該反饋電容器穩定工作。

下面是為互阻抗放大器確定所需運算放大器帶寬的簡(jiǎn)易方法的步驟。

步驟 1：確定允許的最大反饋電容。

反饋電容器連同反饋電阻器構成放大器頻率響應中的一個(gè)極點(diǎn)：

高于這個(gè)極點(diǎn)頻率時(shí)，電路的放大性就會(huì )降低。最大反饋電容器值可由反饋電阻器和所需的帶寬確定：

我們可通過(guò)讓反饋電容器等于或小于公式 3 計算得到的值，來(lái)確保電路滿(mǎn)足帶寬要求。

步驟 2：確定放大器反相輸入端電容。

以顯示光電二極管的接點(diǎn)電容 (CJ) 以及放大器的差分 (CD) 及共模（CCM1、CCM2）輸入電容。這些值通常在運算放大器和光電二極管的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中提供。

從本圖中可以很明顯看到 CJ、CD 和 CCM2 是并聯(lián)的，因此反相輸入端電容是：

由于非反相端接地，因此 CCM1 不會(huì )增加輸入電容。這時(shí)候 CD 和 CCM2 可能還不知道，因為我們還沒(méi)有選擇特定的運算放大器。

我經(jīng)常將 10pF 作為其相加過(guò)后的合理估計值。隨后可用確切值來(lái)替代，以確定特定運算放大器是否合適。

既然我們已經(jīng)確定了 CF 和 CIN 的值，那現在就能計算出所需的運算放大器帶寬。我將在第二部分介紹該計算，并在設計實(shí)例中應用以上過(guò)程。

Part2

在Part1中，我介紹了互阻抗放大器所需運算放大器帶寬的三步計算過(guò)程中的前兩步。在本文中，我不僅將介紹最后一個(gè)步驟，而且還將介紹使用本計算過(guò)程的設計實(shí)例。

步驟 3：計算所需運算放大器增益帶寬積

進(jìn)行基本穩定性分析，我們將獲得本步驟背后的邏輯，如果您只想進(jìn)行計算，可以直接跳到公式 5。圖 1 是用于分析的 TINA-TI? 電路。反饋環(huán)路使用大電感器 (L1) 中斷，而電壓源則可通過(guò)大電容器 (C1) AC 耦合至該環(huán)路。

該環(huán)路在運算放大器輸出端中斷，以便輸入電容的效果包含在分析中。我們可執行 AC 傳輸特性，并使用后處理器生成開(kāi)環(huán)增益 (AOL) 和噪聲增益 (1/β) 曲線(xiàn)。

1/β 曲線(xiàn)上有 3 個(gè)關(guān)注點(diǎn)。首先，在以下頻率位置有一個(gè)零點(diǎn)：

在該頻率以上，1/β 曲線(xiàn)以每十倍頻程 20dB 的速率增加。接下來(lái)，在公式 2 頻率位置有一個(gè)極點(diǎn)：

這會(huì )導致 1/β 曲線(xiàn)“變平”。最后，1/β 曲線(xiàn)將在以下頻率位置與 AOL 曲線(xiàn)相交：

在公式 5 中，fGBW 是運算放大器的單位增益帶寬。為保持穩定性，AOL 曲線(xiàn)必須在 1/β 曲線(xiàn)變平時(shí)與 1/β 曲線(xiàn)相交（假設是一個(gè)單位增益穩定的運算放大器）。如果 AOL 曲線(xiàn)在 1/β 曲線(xiàn)上升時(shí)與 1/β 曲線(xiàn)相交（如圖 4 中虛線(xiàn)所示），電路可能會(huì )震蕩。這可為我們帶來(lái)以下規則：

將 fI 和 fp 的公式帶入該規則，并求解單位增益帶寬，我們可得到以下實(shí)用公式：

公式 5 消除了為互阻抗放大器設計選擇運算放大器時(shí)的一道難題。選擇具有足夠帶寬的運算放大器，不但可確保獲得足夠的信號帶寬，而且還有助于避免潛在的穩定性問(wèn)題！

設計實(shí)例

現在，我把這個(gè)過(guò)程運用在設計實(shí)例中，并對比采用兩個(gè)運算放大器時(shí)的電路性能。一個(gè)運算放大器符合我們所計算的增益帶寬要求，另一個(gè)不符合。

首先，我們計算可使電路穩定并達到帶寬目標的最大反饋電容：

下一步，我們將確定放大器反相輸入端電容。由于我們還沒(méi)有為電路選擇運算放大器，因此我們不知道 CD 和 CCM2 的值。記住，我在第 1 部分中建議將 10pF 作為該電容的合理電容估計值。

最后，我們可計算運算放大器的增益帶寬要求：

相位裕度對比

相位裕度是一個(gè)穩定性指標，可在環(huán)路增益等于 0dB 的位置將放大器環(huán)路增益 (AOL * β) 相位與 180 度相比。0 度相位裕度表明負反饋已經(jīng)變成正反饋，說(shuō)明系統不穩定。

相位裕度可使用第 2 部分（圖 1）的電路進(jìn)行測量，其可中斷反饋環(huán)路。在 AOL * β 電壓幅值等于 0dB 的頻率位置可測量 AOL * β 電壓的相位（Vout 探針）。

重復 OPA313 的這一分析可得到 31.65 度的相位裕度。從技術(shù)上講，該部分在這一相位裕度下是穩定的，但它不會(huì )被視為穩定的設計。如果生產(chǎn)了大量這樣的電路，有一些可能會(huì )因運算放大器技術(shù)參數的容差問(wèn)題而不穩定。

階躍響應對比

降低的相位裕度還會(huì )產(chǎn)生其它影響。例如，它可導致電路階躍響應中的過(guò)沖和振鈴問(wèn)題。為說(shuō)明這種影響，我使用瞬態(tài)仿真在電路輸入端應用了 1uA 電流階躍 (IG1)，并測量了趨穩到 0.1% 理想值所需的時(shí)間。

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