TI跨阻型放大器应用指南

跨阻型放大器应用中关注的指标

跨阻型放大器应用中关注的指标1 引言TIA 全称为trans-impedance amplifier. 也就是跨阻型放大器。

在需要电流转电压的应用场合，如检测微弱光电流信号的场合，通常需要用到跨阻型放大器。

TI有一系列的跨阻放大器，如OPA656,OPA657,OPA843,OPA84,LMH6629 等等。

TI 该产品系列主要的优势在于低噪声，能支持反馈高增益下宽带应用。

这些特点在微弱光检测的场合是非常关键的。

另外TI 的产品是一系列的，在不同的指标要求如带宽升级时可以很方便地找到pin-pin 兼容的产品。

本文介绍了高速TIA 应用中关注的指标及计算过程。

另外介绍了在光检测应用下常见问题的解决。

2 TIA 应用概论在TIA 应用时，由于输入信号是电流，能够应用于这种场合的跨阻放大通常需要具备较低的电流噪声和电压噪声。

比较典型的两个器件是：OPA657（1.6GHz,输入电流噪声1.8 fA/rtHz, 输入电压噪声4.8nV/rtHz），OPA847（3.9GHz, 输入电流噪声2.5pA/rtHz, 输入电压噪声0.85nV/rtHz）。

这两款都是Decompensated 放大器。

Decompensated 放大器特点如下：Decompensated 放大器指的是非单位增益稳定的放大器，如OPA657 最小稳定增益是7V/V,OPA847 则为12V/V.其波特图和普通放大器比较如下：和单位稳定放大器相比，其特点如下：带宽更宽，尤其是小信号下的带宽更宽，Slew rate 更快，以及更大的GBW. 另外一般来讲，decompensated 的放大器能够提供更好的电压噪声。

所以在大增益的跨阻放大且要求一定带宽的场合，使用decompensated 放大器要比单位增益稳定放大器有优势。

3 TIA 应用指标分析3.1 带宽计算一个用于光电流检测的常规的跨阻型运放的工作电路一般简化如Figure2 TIA 光电检测电路。

可编程增益跨阻放大器使光谱系统的动态范围达到最大

可编程增益跨阻放大器使光谱系统的动态范围达到最大简介利用光电二极管或其他电流输出传感器测量物理性质的精密仪器系统，常常包括跨阻放大器（TIA）和可编程增益级以便最大程度地提高动态范围。

本文通过实际例子说明实现单级可编程增益TIA以使噪声最低并保持高带宽和高精度的优势与挑战。

跨阻放大器是所有光线测量系统的基本构建模块。

许多化学分析仪器，如紫外可见（UV-VIS）或傅里叶变换红外（FT- IR）光谱仪等，要依赖光电二极管来精确识别化学成分。

这些系统必须能测量广泛的光强度范围。

例如，UV-VIS光谱仪可测量不透明的样品（例如使用过的机油）或透明物质（例如乙醇）。

另外，有些物质在某些波长具有很强的吸收带，而在其他波长则几乎透明。

仪器设计工程师常常给信号路径增加多个可编程增益以提高动态范围。

光电二极管和光电二极管放大器讨论光电二极管放大器之前，快速回顾一下光电二极管。

当光线照射其PN结时，光电二极管会产生电压或电流。

图1显示的是等效电路。

该模型表示光谱仪所用的典型器件，包括一个光线相关的电流源，它与一个大分流电阻和一个分流电容并联，该电容的容值范围是50 pF以下（用于小型器件）到5000 pF以上（用于超大型器件）。

图1. 光电二极管模型图2显示了典型光电二极管的传递函数。

该曲线看起来与普通二极管非常相似，但随着光电二极管接触到光线，整个曲线会上下移动。

图2b是原点附近传递函数的特写，此处无光线存在。

只要偏置电压非零，光电二极管的输出就不是零。

此暗电流通常用10 mV反向偏置来指定。

虽然用大反向偏置操作光电二极管（光导模式）可使响应更快，但用零偏置操作光电二极管（光伏模式）可消除暗电流。

实践中，即使在光伏模式下，暗电流也不会完全消失，因为放大器的输入失调电压会在光电二极管引脚上产生小误差。

图2. 典型光电二极管传递函数在光伏模式下操作光电二极管时，跨阻放大器（TIA）可使偏置电压接近0 V，同时可将光电二极管电流转换为电压。

跨阻放大器(TIA)的功能和应用范围

跨阻放大器（TIA）的功能和应用范围
跨阻放大器（TIA ）全称为trans-impedance amplifier，是放大器类型的一种，放大器类型是根据其输入输出信号的类型来定义的。

TIA的功能如同我们平时在养花的过程中给花施肥的一样，如果一片贫瘠的土地上要种出鲜艳的花朵，那幺在给这片土地施肥的时候，杂草和花苗同样得到了滋养，这时候我们就会人为地将杂草拔掉，这样杂草没了，肥料的营养能最大程度地供养给花苗，然后花苗才能茁壮成长。

TIA在DWDM系统中的作用就相当于我们人为地将杂草拔掉，而且还一定程度上抵制了杂草的重生。

在电学范畴，假设放大器增益A=Y/X，Y为输出，X为输入。

由于表征一个信号不是用电压就是电流，所以组合一下就有4种放大器，当输入为电流信号，输出为电压信号时，A=Y(电压)/X(电流)，具有电阻的量纲，所以一般称之为跨阻放大器，另外，我们常见的都是电压放大器，也就是输入输出都是电压的那种。

红外探测器中一种电容式反馈跨阻放大器的设计

红外探测器中一种电容式反馈跨阻放大器的设计
白利慧;刘利峰;王成勇
【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2024(47)1
【摘要】放大器电路对提高红外成像技术中红外探测器的读出精度,是至关重要的。

针对电容式反馈跨阻放大器的设计进行了研究,提出了一种在反馈回路中用晶体管
代替反馈电阻的新的拓扑结构。

对于所提出的拓扑结构,提出并分析了与系统稳定
性相关的诸如截止频率和衰减比等的总体频率响应和设计参数,从而获得高直流输
入动态范围。

此外,还讨论了在直流反馈回路中加入额外的电容以确保系统的稳定性。

分析、仿真和实验结果的良好一致性验证了所提出的CF-TIA方案的有效性,而且所提出的电路设计在正常或低直流输入下的整体噪声性能方面相比于传统的CF-TIA方案更具优势。

尽管本文中的电路采用分立元件实现,但提出的频率响应模型
和稳定性分析适用于所有CF-TIA应用和CMOS芯片设计。

【总页数】7页(P62-68)
【作者】白利慧;刘利峰;王成勇
【作者单位】山西机电职业技术学院电气工程系;山西大同大学物理与电子科学学院;驻重庆地区第五军代室
【正文语种】中文
【中图分类】TN722
【相关文献】
1.一种高增益、大带宽跨阻放大器的设计
2.一种10Gb/s的跨阻放大器设计
3.一种用于1.25Gbps光接收机的跨阻放大器设计
4.一种带自动带宽调整的10Gbps跨阻放大器的研究与设计
5.一种高性能跨阻式测量放大器的设计
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MSP430FR2311智能模拟组合和跨阻放大器使用指南说明书

Application ReportSLAA705A–July2016–Revised November2019How to Use the Smart Analog Combo and Transimpedance Amplifier on MSP430FR2311ABSTRACTIn sensing applications,operational amplifiers are often needed to condition(for example,to amplify and filter)the analog sensor output so that it can be properly sampled by the analog-to-digital converter(ADC) on the microcontroller(MCU).This application report provides a guide to set up the integrated operational amplifiers(TIA and SAC_OA)on the MSP430FR2311MCU.Examples are provided for using the integrated operational amplifiers as a transimpedance amplifier for current sensing applications.Considerations for low-power operation are also discussed.Contents1Introduction (2)2Configuration of the Integrated Operational Amplifiers (3)2.1Configuration of SAC_OA (3)2.2Configuration of TIA (4)3Application Examples (5)3.1SAC_OA as a Transimpedance Amplifier (5)3.2TIA Module as a Transimpedance Amplifier (7)3.3A Current Sensing System Demo (8)4References (10)List of Figures1SAC_OA Block Diagram (3)2SAC0OA Register(Address0x0C80) (3)3P1SEL0Register(Address0x020A) (4)4P1SEL1Register(Address0x020C) (4)5TIA Block Diagram (4)6TRICTL Register(Address0x0F00) (5)7Transimpedance Amplifier With SAC_OA (6)8Output Voltage With1-µA Input Current (6)9Output Voltage With50-nA Input Current (7)10Transimpedance Amplifier With TIA (7)11Output Voltage With1-µA Input Current (8)12Block Diagram of the Out-of-Box Demo (8)13Output Voltage When the Op Amp is Dynamically Turned On and Off (9)14Power Consumption of the Out-of-Box Demo (9)TrademarksLaunchPad,Code Composer Studio,EnergyTrace are trademarks of Texas Instruments.All other trademarks are the property of their respective owners.1 SLAA705A–July2016–Revised November2019How to Use the Smart Analog Combo and Transimpedance Amplifier onIntroduction 1IntroductionIn many sensing applications,the raw analog output of a sensor must be amplified,filtered,or converted to a voltage to be properly sampled by the analog-to-digital converter(ADC).The digital stream from the ADC is then processed by an MCU to extract the useful information.One example is a transimpedance amplifier.The transimpedance amplifier converts the output current from a sensor to a voltage that isreadable by an ADC.Stand-alone operational amplifiers(OAs)are normally used to perform the task.To reduce the cost and design complexity,two configurable operational amplifiers are implemented onMSP430FR2311mixed signal microcontroller for single chip designs.This application report describes how to set the MSP430FR2311control registers to use the integrated OAs as general-purpose OAs.The transimpedance amplifier for the current sensing applications is used as examples to demonstrate the operation.One complete current sensing system example is discussed with consideration for low-power applications.The examples are verified with the MSP430FR2311LaunchPad™development kit.The MSP430FR2311includes two integrated OAs:•Transimpedance amplifier(TIA)•General-purpose OA in the Smart Analog Combo module(SAC_OA)There are two major differences between those two OA modules.The first difference is the input biascurrent.On the TSSOP16package,there is a dedicated pin for the negative input of the TIA module,and the input bias current is much lower compared to input pins that are multiplexed with other functions.The second difference is input voltage range.The inputs of the TIA module support only half-rail voltage,while the inputs of the SAC_OA module support rail-to-rail voltage.In applications that require wider bandwidth,a second stage of OA is required.The integrated OAs on the MSP430FR2311make design simple with the internal connections between the two OAs and ADC.The user can choose the TIA module for the first stage and the SAC_OA as the second stage.The TIA output is internally connected to the SAC_OA input.The SAC_OA output is internally connected to the ADCinput.No external connection is needed,which not only reduces cost but also improves signal quality.Although the OA outputs are internally connected to next stage of processing,they must be routed to the external pins because the external feedback network is required.The electrical characteristics of the integrated OAs can be found in the MSP430FR2311data sheet.For more details about how to design with operational amplifiers,refer to the following application reports: An Applications Guide for Op AmpsHandbook of Operational Amplifier ApplicationsFor more details about transimpedance amplifiers,refer to the following application reports:Transimpedance Amplifiers(TIA):Choosing the Best Amplifier for the JobTransimpedance Considerations for High-Speed Operational AmplifiersThe user must verify the sensor specifications and working conditions for application so that the integrated OAs are configured properly.OA0O (P1.3)COMPADCOA0- (P1.2)Reserved ReservedOA0+ (P1.4)TRI0OReserved 3SLAA705A–July 2016–Revised November 2019How to Use the Smart Analog Combo and Transimpedance Amplifier on2Configuration of the Integrated Operational AmplifiersThis section describes how to set up the MSP430FR2311control registers to enable the integrated operational amplifiers as general-purpose operational amplifiers.There are two steps in setting up an integrated OA to work as a general-purpose OA.•Enable and configure the OA module.•Configure the pin multiplexing to enable required OA functions on the external pins.2.1Configuration of SAC_OAFigure 1shows the block diagram of SAC_OA.The black squares are the control bits in the SAC0OA register.In addition to an external pin,the output of the SAC_OA is internally connected to inputs of the compare (eCOMP)and analog-to-digital converter (ADC)modules for further processing.The internal connections save pins so that signal is not routed out and then back into the device,which also can be advantageous in respect to noise.The control registers of the eCOMP and ADC modules must be configured to use this signal as input.Figure 1.SAC_OA Block DiagramTo enable SAC_OA as a general-purpose operational amplifier,the OAEN,PMUXEN,and NMUXEN bits must be set in the SAC0OA register.Configure the OAPM bit to select high-speed or low-speed mode according to the application requirements.The high-speed mode enables faster slew rate at the cost of higher power consumption.The PSEL bits can be configured to connect the positive input to the external pin or TIA output.Figure 2shows the definition of the control register SAC0OA.For example,a value of 0x0588must be written to the SAC0OA register to set up SAC_OA inputs to external pins and set SAC_OA in low-power low-speed mode.15141312111098ReservedSACEN OAPM OAEN r0r0r0r0r0rw-(0)rw-(0)rw-(0)7654321NMUXEN ReservedNSELPMUXEN ReservedPSELrw-(0)r0rw-(0)rw-(0)rw-(0)r0rw-(0)rw-(0)Figure 2.SAC0OA Register (Address 0x0C80)The I/O pins on MSP430FR2311are multiplexed with multiple module functions.The GPIO port control registers P1SEL0and P1SEL1must be configured to enable the SAC_OA function on the external pins.Figure 3and Figure 4show the definition of the P1SEL0and P1SEL1registers,respectively.Bits 2,3,and 4must be set in both the P1SEL0and P1SEL1registers to enable operational amplifier function on the external I/O pins.TRI0- (P1.6)TRI0O (P1.5)OPA0+COMPADCTRI0+ (1.7)Reserved Reserved Reserved76543210P1SEL0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0Figure 3.P1SEL0Register (Address 0x020A)7654321P1SEL1rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0Figure 4.P1SEL1Register (Address 0x020C)As an example,use the code sequence in Example 1to enable SAC_OA in low-speed mode with MSPWare driverlib APIs.In this example,all SAC_OA pins are routed to external I/O pins.Example 1.Code Example for Configuring SAC_OA//Enable op amp functions on external pinsGPIO_setAsPeripheralModuleFunctionInputPin (GPIO_PORT_P1,GPIO_PIN2|GPIO_PIN3|GPIO_PIN4,GPIO_TERNARY_MODULE_FUNCTION);//Select external pins for both positive and negative inputs SAC_OA_init(SAC0_BASE,SAC_OA_POSITIVE_INPUT_SOURCE_EXTERNAL,SAC_OA_NEGATIVE_INPUT_SOURCE_EXTERNAL);//Select low speed and low power modeSAC_OA_selectPowerMode(SAC0_BASE,SAC_OA_POWER_MODE_LOW_SPEED_LOW_POWER);//Enable OASAC_OA_enable(SAC0_BASE);//Enable SACSAC_enable(SAC0_BASE);2.2Configuration of TIAFigure 5shows the block diagram of the TIA module.The black squares are the control bits in the TRICTL register.In addition to an external pin,the output of TIA is internally connected to inputs of the eCOMP,ADC,and SAC_OA modules for further processing.The control registers of those modules must be configured to use this signal as input.Figure 5.TIA Block Diagram Application Examples5SLAA705A–July 2016–Revised November 2019How to Use the Smart Analog Combo and Transimpedance Amplifier onTo enable TIA as a general-purpose operational amplifier,the TRIEN bit must be set in the TRICTL register.Configure the TRIPM bit to select high-speed or low-speed mode.A value of 0x01must be written to the TRICTL register to enable TIA as a general-purpose operational amplifier in low-speed mode.To support faster slew rate,the high-speed mode can be set by writing a value of 0x3to theTRICTL register.The high-speed mode consumes more power than the low-speed mode.Figure 6shows the definition of the TRICTL register.15141312111098Reserved r-0r-0r-0r-0r-0r-0r-0r-076543210TRIPSELReservedTRIPM TRIEN rw-(0)rw-(0)r-0r-0r-0r-(0)rw-(0)rw-(0)Figure 6.TRICTL Register (Address 0x0F00)The GPIO port control register P1SEL0and P1SEL1must be configured to enable the TIA function on the external pins.Bits 5,6,and 7must be set in both P1SEL0and P1SEL1registers to enable the TIA function on the external I/O pins.As an example,the code sequence in Example 2can be used to set up TIA in low-speed mode with MSPWare driverlib APIs.Example 2.Code Example for Configuring TIA//Configure Op-Amp functionality for the external pins GPIO_setAsPeripheralModuleFunctionInputPin(GPIO_PORT_P1,GPIO_PIN5|GPIO_PIN6|GPIO_PIN7,GPIO_TERNARY_MODULE_FUNCTION);//Select low power low speed modeTRI_selectPowerMode(TRI0_BASE,TRI_LOW_SPEED_LOW_POWER);//Enable TIATRI_enable(TRI0_BASE);3Application ExamplesWhen an integrated OAs is enabled and signals are routed to external I/O pins,the module can be used as a stand-alone OA.The functionality of the amplifier is determined by the feedback network.The following examples are based on the circuit of the MSP430FR2311LaunchPad development kit.3.1SAC_OA as a Transimpedance AmplifierIn many applications,the sensing element (a photodiode,for example)is a current source.Atransimpedance amplifier is required to convert the sensor output current to voltage so that it can be read by the ADC module.A transimpedance amplifier composed of the SAC_OA module (see Figure 7).Application Examples Figure7.Transimpedance Amplifier With SAC_OAThe gain of the transimpedance amplifier is purely determined by the value of the feedback resistor when the input bias current of the operational amplifier is negligible.For the circuit in Figure8,a voltage of2.5V is observed at the OA0O pin when the photodiode generates an output of1µA.The1-pF bypasscapacitor enables a low-pass filter with a pole at63kHz to eliminate potential oscillation at highfrequencies.Figure8shows the op amp output voltage with1-µA input current.For this example,the photodiode on the MSP430FR2311LaunchPad development kit is replaced by a current source.The current source is constructed by a function generator with a1-MΩresistor in series.Figure9shows the op amp outputvoltage with50-nA input current.The input waveform is on Channel2,and the output is on Channel1. ArrayFigure8.Output Voltage With1-µA Input CurrentTRI0O (P1.5) Application Examples7 SLAA705A–July2016–Revised November2019How to Use the Smart Analog Combo and Transimpedance Amplifier onFigure9.Output Voltage With50-nA Input Current3.2TIA Module as a Transimpedance AmplifierThe transimpedance amplifier in Figure10is the same as in Figure7except that the operational amplifier is replaced by the TIA module.On the TSSOP16package,the TIA module is the preferred choice for a transimpedance amplifier due to the small input bias current on the TRI0-pin.A user can take advantage of the low input bias current when interfacing a sensor with low output current.Figure10.Transimpedance Amplifier With TIAFigure11shows the output voltage with1-µA input current pulses.On the MSP430FR2311LaunchPad, the phot diode is replaced by a current source.Jumpers are removed to disconnect the SAC_OA pinsfrom input.Then two jumper wires are used to connect the feedback resistor and current source to the TIA negative input and output.The TIA positive input is tied to ground via a jumper wire.The noise level is high in the output due to long jumper wires.In a real application,the signal traces to the op amp must be as short as possible to minimize noise.PhotodiodeApplication Examples Figure11.Output Voltage With1-µA Input Current3.3A Current Sensing System DemoThe out-of-box demo provided with the MSP430FR2311LaunchPad development kit implements acomplete current sensing system example.It shows how to use the integrated op-amp(SAC_OA)as a transimpedance amplifier along with the timer,ADC,and external LED to implement a light sensor forultra-low-power applications.Figure12shows the block diagram of the demo.The transimpedance amplifier is made of the SAC_OA module.It converts the current from the photodiode to a voltage.1-µA input current produces a voltage of2.5V.This voltage is then read by the analog-to-digital converter(ADC)and fed to a timer module to drivean external LED with PWM.The duty cycle of the PWM is proportional to the current from the photodiode.As more light reaches the photodiode,the LED becomes brighter.Figure12.Block Diagram of the Out-of-Box DemoTo demonstrate how to reduce power consumption,the device is kept in lower-power mode most of time.A timer is set up to wake up the device every50ms for the measurements.The complete CodeComposer Studio™IDE project for the demo can be downloaded from the TI web site. Application Examples9SLAA705A–July 2016–Revised November 2019How to Use the Smart Analog Combo and Transimpedance Amplifier onFigure 13shows the output voltage of the transimpedance amplifier when it is dynamically enabled and disabled.After the OA is enabled,a small delay is needed before starting the ADC module so that the ADC module does sample the transient pulse when the op amp is enabled.Figure 13.Output Voltage When the Op Amp is Dynamically Turned On and OffFigure 14shows the power consumption of the demo.This data was captured using EnergyTrace™technology.The power profile data indicates a battery life of 380days when a CR2032battery is used.Figure 14.Power Consumption of the Out-of-Box DemoThis demonstration provides functional blocks that can be used for applications such as smoke detectors and gas detectors.References 4References1.MSP430FR231x Mixed-Signal Microcontrollers2.MSP430FR4xx and FR2xx Family User’s Guide3.MSP430FR2311LaunchPad™Development Kit(MSP-EXP430FR2311)User's Guide4.AN-20An Applications Guide for Op Amps5.Handbook of Operational Amplifier Applications6.Transimpedance Amplifier(TIA):Choose the Best Amplifier for the Job7.Transimpedance Considerations for High-Speed Amplifiers Revision History11SLAA705A–July 2016–Revised November 2019Submit Documentation Feedback Copyright ©2016–2019,Texas Instruments IncorporatedRevision History Revision HistoryNOTE:Page numbers for previous revisions may differ from page numbers in the current version.Changes from July 20,2016to November 15,2019Page •Changed the document title;editorial changes in abstract (1)IMPORTANT NOTICE AND DISCLAIMERTI PROVIDES TECHNICAL AND RELIABILITY DATA (INCLUDING DATA SHEETS), DESIGN RESOURCES (INCLUDING REFERENCE DESIGNS), APPLICATION OR OTHER DESIGN ADVICE, WEB TOOLS, SAFETY INFORMATION, AND OTHER RESOURCES “AS IS” AND WITH ALL FAULTS, AND DISCLAIMS ALL WARRANTIES, EXPRESS AND IMPLIED, INCLUDING WITHOUT LIMITATION ANY IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE OR NON-INFRINGEMENT OF THIRD PARTY INTELLECTUAL PROPERTY RIGHTS.These resources are intended for skilled developers designing with TI products. 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TI跨阻型放大器应用指南

Application ReportZHCA479 – September 2012 1跨阻型放大器应用指南毛华平德州仪器公司 (TI) 高速应用工程师摘要本文简要介绍了Decompensate 型跨阻型放大器的应用常见问题.Abstract: this article simply introduce the normal application of unity gain stable TIA anddecompensated TIA, and the normal issue met in the real application.Key words: GBP (Gain bandwidth product), decompensated, stability, noise,CF(feedback capacitor), overshoot.Contents1 引言 (2)2 TIA 应用概论 (2)3 TIA 应用指标分析 (3)3.1 带宽计算 33.2 噪声计算 64 实际应用中的常见问题 (6)4.1 振荡 64.2 overshoot 95 总结 (11)6. 参考资料 (11)FiguresFigure 1 decomp 和单位增益稳定运放波特图 (2)Figure2 TIA 光电检测电路 (3)Figure3 TIA 用于DAC 输出电流检测电路 (3)Figure4 未补偿时的波特图 (4)Figure5 补偿后的波特图 (5)Figure6 常用TIA 增益与带宽关系 (6)Figure7 未加补偿的20k 放大电路 (7)Figure8 原始输出响应 (7)Figure9 加补偿后的电路 (8)Figure10 加补偿后的脉冲响应 (8)Figure11 原始补偿的频响 (9)Figure12 增大补偿的电路 (10)Figure13 增大补偿后的脉冲响应 (10)Figure14 增大补偿后的频响 (11)ZHCA4792 跨阻型放大器应用指南1 引言 TIA 全称为trans-impedance amplifier. 也就是跨阻型放大器.在需要电流转电压的应用场合, 如检测微弱光电流信号的场合, 通常需要用到跨阻型放大器. TI 有一系列的跨阻放大器,如OPA656,OPA657,OPA843,OPA84,LMH6629等等. Ti 该产品系列主要的优势在于低噪声, 能支持反馈高增益下宽带应用. 这些特点在微弱光检测的场合是非常关键的. 另外TI 的产品是一系列的, 在不同的指标要求如带宽升级时可以很方便地找到pin-pin 兼容的产品.本文介绍了高速TIA 应用中关注的指标及计算过程. 另外介绍了在光检测应用下常见问题的解决.2 TIA 应用概论在TIA 应用时, 由于输入信号是电流, 能够应用于这种场合的跨阻放大通常需要具备较低的电流噪声和电压噪声. 比较典型的两个器件是:OPA657(1.6GHz,输入电流噪声1.8 fA/rtHz, 输入电压噪声4.8nV/rtHz), OPA847(3.9GHz, 输入电流噪声2.5pA/rtHz, 输入电压噪声0.85nV/rtHz). 这两款都是Decompensated 放大器.Decompensated 放大器特点如下:Decompensated 放大器指的是非单位增益稳定的放大器, 如OPA657最小稳定增益是7V/V , OPA847则为12V/V.其波特图和普通放大器比较如下:Figure 1 decomp 和单位增益稳定运放波特图和单位稳定放大器相比, 其特点如下:带宽更宽, 尤其是小信号下的带宽更宽, Slew rate 更快, 以及更大的GBW. 另外一般来讲, decompensated 的放大器能够提供更好的电压噪声.所以在大增益的跨阻放大且要求一定带宽的场合, 使用decompensated 放大器要比单位增益稳定放大器有优势.G AZHCA479跨阻型放大器应用指南 33 TIA 应用指标分析3.1 带宽计算一个用于光电流检测的常规的跨阻型运放的工作电路一般简化如下:Figure2 TIA 光电检测电路或是用于作DAC 的电流转电压的应用场合:Figure3 TIA 用于DAC 输出电流检测电路对一定的运放, 其GBP 是固定的, Cdiff(芯片输入的寄生差分容值), Ccm(芯片输入的寄生共模容值)也是固定的, 选定前面的光检测管APD 或PIN 后,其寄生容值CD 也就是固定了, 当放大倍数RF 固定的时候, 其能达到的-3dB 闭环带宽大约为:ZHCA4794 跨阻型放大器应用指南公式1但是由于前端的寄生电容Cs 和Rf 会在噪声增益曲线上形成一个零点,导致运放的开环增益曲线和噪声增益曲线相交处的逼近速度为-40dB/dec, 这样就会造成运放的不稳定,也就是会引起自激. 其波特图如下:Figure4 未补偿时的波特图所以要达到这样一个稳定工作有一个前提, 需要采用CF 来作补偿, 在该曲线中引入一个极点. 补偿后的曲线如下:ZHCA479跨阻型放大器应用指南 5Figure5 补偿后的波特图所以需要让运放稳定工作, 且达到最宽的2阶butterworth 频响, 其CF 的取值如下:公式2对于decompensated 的运放, 由于其最小增益的要求, 还引来另外一个要求, 就是其增益要大于其最小稳定增益, 由于在高频下, 其增益表达式如下:所以对特定的decompensated 的运放, 这个值要大于其最小增益要求.公式3在一个假定前端的寄生容性为10pF 的场合, 以下是几个运放能达到的带宽和增益的对应关系:ZHCA4796 跨阻型放大器应用指南Figure6 常用TIA 增益与带宽关系3.2 噪声计算在由以上公式算出的带宽后, 运放本身带来的噪声贡献可以由如下公式算出:公式4其中:I EQ = 等效的输入噪声电流, 这个值在带宽 F < 1/(2πR F C F )内有效.I N = 运放本身输入的电流噪声,算inverting 的输入.E N = 运放输入的电压噪声.C D = 前面的光电二极管的寄生电容.F = 带宽,单位为Hz.4kT = 1.6E – 21J at T = 290°K 根据这个公式计算出等效的输入噪声电流后, 就可以算出在TIA 输出后SNR 了.4 实际应用中的常见问题这里整理几个TIA 运放在实际使用中经常遇到的问题:4.1 振荡这个问题在高增益,又有宽带要求的情况下比较常见.比如设计一个20K 增益的放大链路, 假设总的输入的寄生电容很大, 10pF. 根据上面的图可以看出, 采用GBW 最宽的OPA847进行设计, 最宽稳定带宽只能在50M 附近.设计电路如下:ZHCA479跨阻型放大器应用指南7Figure7 未加补偿的20k 放大电路输入20n 的脉宽信号, 10u 的幅度, 得到的波形如下:Figure8 原始输出响应输出有振荡产生.根据公式算出CF 的取值应该为0.24p. 加上后,电路如下:ZHCA4798 跨阻型放大器应用指南Figure9 加补偿后的电路仿真得到: 可以看到, 振荡消失,只剩过冲. 放大倍数也趋向正常.Figure10 加补偿后的脉冲响应在高增益的场合, 有可能反馈电阻自带的电容以及反馈走线带来的寄生电容都可以达到这么微小的电容值. 所以需要依具体的测试结果来确定反馈是否要另外加电容.ZHCA479跨阻型放大器应用指南94.2 overshoot在光时域反射检测光纤状态的场合, 输出上的overshoot 可能会对测量结果产生很大影响,这就需要尽可能地减小TIA 输出的overshoot. 如上图所示的结果, 约有10%的overshoot, 这对实际使用是不利的,需要消除.消除这种过冲最有效的方法是加大反馈电容, 但是这样带来的一个直接后果是带宽减小. 如上面的案例, 在输出有overshoot 的情况下, 原始频响为: -3dB 带宽有40M 左右.Figure11 原始补偿的频响增大反馈到0.45p 时, 过冲消失.ZHCA47910 跨阻型放大器应用指南Figure12 增大补偿的电路Figure13 增大补偿后的脉冲响应但是也可以看到, 20nS的脉冲情况下, 其输出有点被滤除, 增益减小了. 原因就在于输出的带宽变窄, 只剩21MZHCA479跨阻型放大器应用指南 11Figure14 增大补偿后的频响5 总结TIA 运放在作电流放大使用时需要注意带宽和增益的折中, 以及平衡性和带宽的折中. 而同时又得兼顾噪声的贡献, 所以需要综合考虑以上的各项指标.6. 参考资料1. Xavier Ramus “Transimpedance Considerations for High-Speed Amplifiers”2. OPA847,OPA657指标书重要声明德州仪器(TI)及其下属子公司有权在不事先通知的情况下,随时对所提供的产品和服务进行更正、修改、增强、改进或其它更改，并有权随时中止提供任何产品和服务。

跨阻放大器电路设计说明书

VoutC 2 100nIiC1 150pCopyright © 2018, Texas Instruments Incorporated1ZHCA758A–February 2018–Revised January 2019跨阻放大器电路Analog Engineer's Circuit:AmplifiersZHCA758A–February 2018–Revised January 2019跨阻放大器电路设计目标输入输出BW 电源I iMin I iMax V oMin V oMax f p V cc V ee 0A50µA0V5V10kHz15V–15V设计说明跨阻运算放大器电路配置可以将输入电流源转换为输出电压。

电流到电压增益基于反馈电阻。

该电路能够在输入电流变化时在输入源上保持恒定的电压偏置，这可以使许多传感器受益。

设计说明1.使用具有低偏置电流的JFET 或CMOS 输入运算放大器降低直流误差。

2.可以向同相输入添加偏置电压，从而设置0A 输入电流的输出电压。

3.在线性输出电压摆幅（请参阅A ol 规格）内运行，从而最大程度地降低非线性误差。

2ZHCA758A–February 2018–Revised January 2019跨阻放大器电路设计步骤1.选择增益电阻器。

2.选择满足电路带宽要求的反馈电容器。

3.计算使电路保持稳定所必需的运算放大器增益带宽(GBW)。

•C s ：输入源电容•C d ：放大器的差分输入电容•C cm ：反相输入的共模输入电容3ZHCA758A–February 2018–Revised January 2019跨阻放大器电路设计仿真直流仿真结果交流仿真结果4ZHCA758A–February 2018–Revised January 2019跨阻放大器电路设计参考资料请参阅《模拟工程师电路说明书》，了解有关TI 综合电路库的信息。

跨阻型放大器应用指南

Application ReportZHCA479 – September 2012 1跨阻型放大器应用指南毛华平德州仪器公司 (TI) 高速应用工程师摘要本文简要介绍了Decompensate 型跨阻型放大器的应用常见问题.Abstract: this article simply introduce the normal application of unity gain stable TIA anddecompensated TIA, and the normal issue met in the real application.Key words: GBP (Gain bandwidth product), decompensated, stability, noise,CF(feedback capacitor), overshoot.Contents1 引言 (2)2 TIA 应用概论 (2)3 TIA 应用指标分析 (3)3.1 带宽计算 33.2 噪声计算 64 实际应用中的常见问题 (6)4.1 振荡 64.2 overshoot 95 总结 (11)6. 参考资料 (11)FiguresFigure 1 decomp 和单位增益稳定运放波特图 (2)Figure2 TIA 光电检测电路 (3)Figure3 TIA 用于DAC 输出电流检测电路 (3)Figure4 未补偿时的波特图 (4)Figure5 补偿后的波特图 (5)Figure6 常用TIA 增益与带宽关系 (6)Figure7 未加补偿的20k 放大电路 (7)Figure8 原始输出响应 (7)Figure9 加补偿后的电路 (8)Figure10 加补偿后的脉冲响应 (8)Figure11 原始补偿的频响 (9)Figure12 增大补偿的电路 (10)Figure13 增大补偿后的脉冲响应 (10)Figure14 增大补偿后的频响 (11)ZHCA4792 跨阻型放大器应用指南1 引言 TIA 全称为trans-impedance amplifier. 也就是跨阻型放大器.在需要电流转电压的应用场合, 如检测微弱光电流信号的场合, 通常需要用到跨阻型放大器. TI 有一系列的跨阻放大器,如OPA656,OPA657,OPA843,OPA84,LMH6629等等. Ti 该产品系列主要的优势在于低噪声, 能支持反馈高增益下宽带应用. 这些特点在微弱光检测的场合是非常关键的. 另外TI 的产品是一系列的, 在不同的指标要求如带宽升级时可以很方便地找到pin-pin 兼容的产品.本文介绍了高速TIA 应用中关注的指标及计算过程. 另外介绍了在光检测应用下常见问题的解决.2 TIA 应用概论在TIA 应用时, 由于输入信号是电流, 能够应用于这种场合的跨阻放大通常需要具备较低的电流噪声和电压噪声. 比较典型的两个器件是:OPA657(1.6GHz,输入电流噪声1.8 fA/rtHz, 输入电压噪声4.8nV/rtHz), OPA847(3.9GHz, 输入电流噪声2.5pA/rtHz, 输入电压噪声0.85nV/rtHz). 这两款都是Decompensated 放大器.Decompensated 放大器特点如下:Decompensated 放大器指的是非单位增益稳定的放大器, 如OPA657最小稳定增益是7V/V , OPA847则为12V/V.其波特图和普通放大器比较如下:Figure 1 decomp 和单位增益稳定运放波特图和单位稳定放大器相比, 其特点如下:带宽更宽, 尤其是小信号下的带宽更宽, Slew rate 更快, 以及更大的GBW. 另外一般来讲, decompensated 的放大器能够提供更好的电压噪声.所以在大增益的跨阻放大且要求一定带宽的场合, 使用decompensated 放大器要比单位增益稳定放大器有优势.G AZHCA479跨阻型放大器应用指南 33 TIA 应用指标分析3.1 带宽计算一个用于光电流检测的常规的跨阻型运放的工作电路一般简化如下:Figure2 TIA 光电检测电路或是用于作DAC 的电流转电压的应用场合:Figure3 TIA 用于DAC 输出电流检测电路对一定的运放, 其GBP 是固定的, Cdiff(芯片输入的寄生差分容值), Ccm(芯片输入的寄生共模容值)也是固定的, 选定前面的光检测管APD 或PIN 后,其寄生容值CD 也就是固定了, 当放大倍数RF 固定的时候, 其能达到的-3dB 闭环带宽大约为:ZHCA4794 跨阻型放大器应用指南公式1但是由于前端的寄生电容Cs 和Rf 会在噪声增益曲线上形成一个零点,导致运放的开环增益曲线和噪声增益曲线相交处的逼近速度为-40dB/dec, 这样就会造成运放的不稳定,也就是会引起自激. 其波特图如下:Figure4 未补偿时的波特图所以要达到这样一个稳定工作有一个前提, 需要采用CF 来作补偿, 在该曲线中引入一个极点. 补偿后的曲线如下:ZHCA479跨阻型放大器应用指南 5Figure5 补偿后的波特图所以需要让运放稳定工作, 且达到最宽的2阶butterworth 频响, 其CF 的取值如下:公式2对于decompensated 的运放, 由于其最小增益的要求, 还引来另外一个要求, 就是其增益要大于其最小稳定增益, 由于在高频下, 其增益表达式如下:所以对特定的decompensated 的运放, 这个值要大于其最小增益要求.公式3在一个假定前端的寄生容性为10pF 的场合, 以下是几个运放能达到的带宽和增益的对应关系:ZHCA4796 跨阻型放大器应用指南Figure6 常用TIA 增益与带宽关系3.2 噪声计算在由以上公式算出的带宽后, 运放本身带来的噪声贡献可以由如下公式算出:公式4其中:I EQ = 等效的输入噪声电流, 这个值在带宽 F < 1/(2πR F C F )内有效.I N = 运放本身输入的电流噪声,算inverting 的输入.E N = 运放输入的电压噪声.C D = 前面的光电二极管的寄生电容.F = 带宽,单位为Hz.4kT = 1.6E – 21J at T = 290°K 根据这个公式计算出等效的输入噪声电流后, 就可以算出在TIA 输出后SNR 了.4 实际应用中的常见问题这里整理几个TIA 运放在实际使用中经常遇到的问题:4.1 振荡这个问题在高增益,又有宽带要求的情况下比较常见.比如设计一个20K 增益的放大链路, 假设总的输入的寄生电容很大, 10pF. 根据上面的图可以看出, 采用GBW 最宽的OPA847进行设计, 最宽稳定带宽只能在50M 附近.设计电路如下:ZHCA479跨阻型放大器应用指南7Figure7 未加补偿的20k 放大电路输入20n 的脉宽信号, 10u 的幅度, 得到的波形如下:Figure8 原始输出响应输出有振荡产生.根据公式算出CF 的取值应该为0.24p. 加上后,电路如下:ZHCA4798 跨阻型放大器应用指南Figure9 加补偿后的电路仿真得到: 可以看到, 振荡消失,只剩过冲. 放大倍数也趋向正常.Figure10 加补偿后的脉冲响应在高增益的场合, 有可能反馈电阻自带的电容以及反馈走线带来的寄生电容都可以达到这么微小的电容值. 所以需要依具体的测试结果来确定反馈是否要另外加电容.ZHCA479跨阻型放大器应用指南94.2 overshoot在光时域反射检测光纤状态的场合, 输出上的overshoot 可能会对测量结果产生很大影响,这就需要尽可能地减小TIA 输出的overshoot. 如上图所示的结果, 约有10%的overshoot, 这对实际使用是不利的,需要消除.消除这种过冲最有效的方法是加大反馈电容, 但是这样带来的一个直接后果是带宽减小. 如上面的案例, 在输出有overshoot 的情况下, 原始频响为: -3dB 带宽有40M 左右.Figure11 原始补偿的频响增大反馈到0.45p 时, 过冲消失.ZHCA47910 跨阻型放大器应用指南Figure12 增大补偿的电路Figure13 增大补偿后的脉冲响应但是也可以看到, 20nS的脉冲情况下, 其输出有点被滤除, 增益减小了. 原因就在于输出的带宽变窄, 只剩21MZHCA479跨阻型放大器应用指南 11Figure14 增大补偿后的频响5 总结TIA 运放在作电流放大使用时需要注意带宽和增益的折中, 以及平衡性和带宽的折中. 而同时又得兼顾噪声的贡献, 所以需要综合考虑以上的各项指标.6. 参考资料1. Xavier Ramus “Transimpedance Considerations for High-Speed Amplifiers”2. OPA847,OPA657指标书重要声明德州仪器(TI)及其下属子公司有权在不事先通知的情况下,随时对所提供的产品和服务进行更正、修改、增强、改进或其它更改，并有权随时中止提供任何产品和服务。

TI高速压控放大器常用使用要点说明汇总

LMH6502的输入范围，共模范围为Vcm，差分范围为Vin_diff
需要注意的是上表是正负5V供电的情况，供电电压减小到正负2.5V时，共模电压范围也同时缩小。

如下面左图所示。

（左图正负2.5V供电，右图正负5V供电）当共模电压超出范围后，增益会出现异常，表现为无法放大或者衰减。

LMH6502的直流调节方法
LMH6502的直流偏差有两部分：共模offset和差模offset。

参考下面电路，将Vin接GND，然后在Vg上输入一个方波（低电压0V，高电压2V），这样增益就会在最大和最小之间变化。

差模Offset会随着增益放大和缩小，共模offset不变。

这样就会看到如下图所示波形。

调节R10可以将方波部分减小到零，调节R14可以将方波下方的直流部分减小到零。

（作为反向放大器时同理）
调零过程中Vout输出的波形
由于offset会随增益变化（如下图），所以这个调节方法不能将offset完全消除，只能最大抑制。

不过高频电路中常采用AC耦合，所以小的offset不影响电路性能。

Offset随增益变化的情况
另外，需要注意的是共模电压要正确，共模电压超出范围会导致offset异常。

如下图所示，曲线的两边陡峭的边沿。

共模电压对offset的影响
LMH6502的带宽调节。

tia跨阻放大电路

tia跨阻放大电路（最新版）目录1.TIA 跨阻放大电路的概述2.TIA 跨阻放大电路的工作原理3.TIA 跨阻放大电路的优点4.TIA 跨阻放大电路的应用领域5.TIA 跨阻放大电路的发展前景正文1.TIA 跨阻放大电路的概述TIA 跨阻放大电路，全称为“传输线输入阻抗匹配跨阻放大电路”，是一种常用于射频通信系统中的放大电路。

其主要作用是在保证输入信号质量的前提下，对信号进行放大，以便在长距离传输过程中降低信号衰减，提高信号传输的稳定性和可靠性。

2.TIA 跨阻放大电路的工作原理TIA 跨阻放大电路通过调整输入阻抗和输出阻抗，实现与传输线的阻抗匹配，从而减小信号在传输过程中的反射和损耗。

具体来说，TIA 跨阻放大电路由两个放大器组成，分别负责电压放大和电流放大。

输入端采用串联电阻的方式，使得输入阻抗与传输线的特性阻抗相匹配。

输出端则通过并联电阻的方式，与负载阻抗相匹配。

3.TIA 跨阻放大电路的优点TIA 跨阻放大电路具有以下优点：a.输入阻抗匹配：通过调整输入端的串联电阻，使得 TIA 跨阻放大电路的输入阻抗与传输线的特性阻抗相匹配，从而减小信号反射，降低信号损耗。

b.电流放大：TIA 跨阻放大电路中的电流放大器可以使得输出电流与输入电流之比保持在一定范围内，从而保证信号在长距离传输过程中的稳定性。

c.电压放大：TIA 跨阻放大电路中的电压放大器可以实现较大的信号放大倍数，以弥补信号在传输过程中的衰减。

4.TIA 跨阻放大电路的应用领域TIA 跨阻放大电路广泛应用于射频通信系统、无线通信设备、卫星通信系统、雷达系统等电子信息领域。

在这些领域中，TIA 跨阻放大电路可以有效提高信号传输的质量和稳定性，保证系统的正常运行。

5.TIA 跨阻放大电路的发展前景随着我国电子信息产业的快速发展，射频通信技术在军事、民用等领域的应用越来越广泛。

作为射频通信系统中的关键部件，TIA 跨阻放大电路在提高信号传输质量和稳定性方面具有重要作用。

一文读懂跨阻放大器的工作原理

一文读懂跨阻放大器的工作原理
跨阻放大器（TIA）是光学传感器（如光电二极管）的前端放大器，用于将传感器的输出电流转换为电压。

跨阻放大器的概念很简单，即运算放大器（op amp）两端的反馈电阻（RF）使用欧姆定律VOUT= I RF将电流（I）转换为电压（VOUT）。

在这一系列博文中，我将介绍如何补偿TIA，及如何优化其噪声性能。

对于TIA带宽、稳定性和噪声等关键参数的定量分析，请参见标题为用于高速放大器的跨阻抗注意事项的应用注释。

在实际电路中，寄生电容会与反馈电阻交互，在放大器的回路增益响应中形成不必要的极点和零点。

寄生输入和反馈电容的最常见来源包括光电二极管电容（CD）、运算放大器的共模（CCM）和差分输入电容（CDIFF），以及电路板的电容（CPCB）。

反馈电阻RF并不理想，并且具有可能高达0.2pF的寄生并联电容。

在高速TIA应用中，这些寄生电容相互交互，也与RF交互生成一个不理想的响应。

在本篇博文中，我将阐述如何来补偿TIA。

图1显示了具有寄生输入和反馈电容源的完整TIA电路。

三个关键因素决定TIA的带宽：
总输入电容（CTOT）。

由RF设置理想的跨阻增益。

运算放大器的增益带宽积（GBP）：增益带宽越高，产生的闭环跨阻带宽就越高。

这三个因素相互关联：对特定的运算放大器来说，定位增益将设置最大带宽;反之，定位带宽将设置最大增益。

无寄生的单极放大器
这一分析的第一步假定在AOL响应和表1所示的规格中有一个单极的运算放大器。

DC、AOL（DC）时运算放大器的开环增益
120dB
运算放大器GBP
1GHz。

电容反馈跨阻抗放大器型

电容反馈跨阻抗放大器型电容反馈跨阻抗放大器——这个名字一听就感觉很高大上，对吧？别急，咱们慢慢聊。

其实呢，它说白了就是一种用电容来控制反馈的放大器，用来把输入信号的电流转换成电压，简单来说就是把微弱的电流信号放大成可以测量的电压信号。

你可能会问，为什么要用这个电容反馈？嗯，你要知道，电容在这里起的可不只是装饰作用。

它的加入，简直是让这台机器瞬间变得高效又灵活。

放大器嘛，大家都知道，它就是用来放大信号的，而电容反馈则是让这个放大过程更精准、更稳定。

说到跨阻抗放大器，很多人可能会觉得有点复杂，怎么说呢，有点像是你去吃火锅，原本想要的是一锅简单的汤底，结果却被各种麻辣调料给弄得复杂了。

不过，跨阻抗放大器其实就是把输入的电流信号转换成电压输出。

要想理解它，咱们就得先搞明白电流和电压的区别。

你看，电流就像是河水流动的水流，而电压呢，则像是推动水流流动的压力。

跨阻抗放大器就是借助电阻来控制这个“压力”，将水流（电流）转化成压力（电压）。

加上电容反馈，能有效调节信号的稳定性，避免信号出现波动，简直是给电路加了个“保险杠”。

说实话，跨阻抗放大器本来就是个高精尖的玩意儿，适合做那些需要精确转换和放大的工作。

比如啊，你想测量一个非常微弱的光信号，像是光纤传感器传回来的数据，这时候没有一款靠谱的跨阻抗放大器，你基本上就啥也看不见了。

它的存在，简直是光电探测领域的“定海神针”，没有它，你的微弱信号就像是天上掉下来的星星，怎么找都找不到。

不过，跨阻抗放大器的设计也不是随随便便就能搞定的。

你必须得有合适的电容和电阻来搭配，才能保证反馈回路的稳定。

如果选错了，可能就会像是踩到地雷，反馈信号不稳定，整个电路的性能都会大打折扣。

所以呢，做这个电路设计的工程师可得小心了，设计图纸上每一个小细节，都得考虑得像做菜一样，少了点什么都会出问题。

更有意思的是，电容反馈的使用其实也是个艺术。

就拿放大器的增益来说吧，光靠电阻就能做到增益的控制，但如果加上电容的反馈，效果会更好。

4GHz FET输入运算放大器

4GHz FET输入运算放大器
佚名
【期刊名称】《今日电子》
【年(卷),期】2015(0)8
【摘要】LTC6268-10（单路）和LTC6269-10（双路）是4GHZFET输入运算放大器，这两款器件面向大动态范围和高速跨阻放大器（TIA）应用。

这些最新的去补偿型放大器增强了这一超低偏置电流运放系列的速度和动态范围能力，该系列面向增益为10或更高的应用。

在-40～＋85℃温度范围内，输入偏置电流最大值为0．9pA，而在-40～＋125℃温度范围内，输入偏置电流最大值仅为4pA。

【总页数】1页(P64-64)
【关键词】运算放大器;输入;FET;大动态范围;偏置电流;温度范围;跨阻放大器;最大值
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.77
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