精密的单电源光检测电路设计方案
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2.2 运放的SPICE模型 运算放大器具有范围较宽的技术指标及性能参数,它对光检测电路的稳定性和噪声性能影响很少。其主要参数示于图3的模型中,它包括一个噪声源电压、每个输入端的寄生共模电容、输入端之间的寄生电容及与频率有关的开环增益。 输入差分电容CDIFF和输入共模电容CCM是直接影响电路稳定性和噪声性能的寄生电容。这些寄生电容在数据手册中通常规定为典型值,基本不随时间和温度变化。 另一个涉及到输入性能的是噪声电压,该参数可模拟为运放同相输入端的噪声源。此噪声源为放大器产生的所有噪声的等效值。利用此噪声源可建立放大器的全部频谱模型,包括1/f噪声或闪烁噪声以及宽带噪声。讨论中假设采用CMOS输入放大器,则输入电流噪声的影响可忽略不计。 |
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图3 非理想的运放模型当运行SPICE噪声模拟程序时,必须使用一个独立的交流电压源或电流源。为了模拟放大器的输入噪声RTI,一个独立的电压源VIN应加在放大器的同相输入端。另外,电路中的反馈电阻保持较低值（100W ）,以便在评估中不影响系统噪声。
图3模型中的最后一个技术指标为在频率范围内的开环增益AOL（jw ）,典型情况下,在传输函数中该响应特性至少有两个极点,该特性用于确定电路的稳定性。
在这个应用电路中,对运放有影响而未模拟的另一个重要性能参数是输入共模范围和输出摆幅范围。一般而言,输入共模范围必须扩展到超过负电源幅值,而输出摆幅必须尽可能地摆动到负电源幅值。大多数单电源CMOS放大器具有负电源电压以下0.3V的共模范围。由于同相输入端接地,此类性能非常适合于本应用领域。当放大器对地的负载电阻为小于RF /10时,则单电源放大器的输出摆幅可最优化。如果采用这种方法,最坏情况下放大器负载电阻的噪声也仅为总噪声的0.5%。
SPICE宏模型可以模拟也可以不模拟这些参数。一个放大器宏模型会具有适当的开环增益频率响应、输入共模范围和不那么理想的输出摆幅范围。表1中列出了本文使用的三个放大器宏模型的特性。
光电二极管和放大器的寄生元件对电路的影响可容易地用SPICE模拟加以说明。例如,在理想情况下,可以通过使用ISC的方波函数和观察输出响应来进行模拟。
2.3 反馈元件模型 本应用中应该考虑的第三个即最后一个变量是放大器的反馈系统。图4示出一个反馈网络模型。 在图4中,分离的反馈电阻RF也有一个噪声成分eRF和一个寄生电容CRF 。 寄生电容CRF为电阻RF及与电路板/接线板相关的电容。此电容的典型值为0.5pF到1.0pF。 CF是反馈网络模型中包含的第2个分离元件,用于稳定电路。 |
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图4 图1所示系统反馈电路的表1 本文提到的运放宏模型特性
典型参数 | 理想值 | MCP601 | 运放#2 |
输入差分电容 | 0pF | 3pF | 3pF |
输入共模电容 | 0pF | 6pF | 6pF |
温度范围内的输入偏流 | 0pA | 50pA | 50pA |
输入电压噪声 |
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静态电流 | 250m A | 250m A | 25m A |
增益vs.频率 | 无极点 | 在传输函数中有2个极点 | 在传输函数中有2个极点 |
单位增益相交时的相位容限 | N/A | 60° | 60° |
增益带宽积（GBW） | 未确定 | 2.8MHz | 100kHz |
将三个子模型（光电二极管、运放和反馈网络）组合起来可组成光检测电路的系统模型。如图5所示。
3 系统模型的相互影响和系统稳定性分析 当光电二极管配置为光致电压工作方式时,图5所示的系统模型可用来定性分析系统的稳定性。 这个系统模型的SPICE能模拟光电二极管检测电路的频率及噪声响应。尤其是在进入硬件实验以前,通过模拟手段可以容易地验证并设计出良好的系统稳定性。该过程是评估系统的传输函数、确定影响系统稳定性的关键变量并作相应调整的过程。 该系统的传输函数为
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（2）
图5 标准光检测电路的系统模型式（2）中,AOL（jw ）是放大器在频率范围内的开环增益。b 是系统反馈系数,等于1/（1+ZF/ZIN）。1/b 也称作系统的噪声增益。
ZIN是输入阻抗,等于RPD//1/[jw （CPD+CCM+ CDIFF）];ZF是反馈阻抗,等于RF //1/[jw （CRF+CF）]。
通过补偿AOL（jw ）´ b 的相位可确定系统的稳定性,这可凭经验用AOL（jw ）和1/b 的Bode图来实现。图6中的各图说明了这个概念。
开环增益频率响应和反馈系数的倒数（1/b ）之间的闭合斜率必须小于或等于－20dB/10倍频程。图6中（a）、（c）表示稳定系统,(b)、（d）表示不稳定系统。在（a）中,放大器的开环增益（AOL（jw ））以零dB随频率变化并很快变化到斜率为 －20dB/10倍频程。尽管未在图中显示,但这个变化是由开环增益响应的一个极点导致的,并伴随着相位的变化,在极点以前开始以10倍频程变化。即在极点的10倍频程处,相移约为0° 。在极点发生的频率处,相移为－45° 。当斜率随着频率变化,到第二个极点时开环增益响应变化至－40dB/10倍频程。并再次伴随着相位的变化。第3个以零点响应出现,并且开环增益响应返回至－20dB/10倍频程的斜率。
图6 确定系统稳定性的Bode图
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