利用 T 型网络拓展光电二极管跨阻放大器 (TIA) 解决方案的适用范围 —— 第二部分：环路增益图、噪声和单电源供电
时间：2026-06-10
在电子技术领域，光电二极管跨阻放大器（TIA）的设计与优化一直是研究的重点。本文承接部分，进一步探讨利用 T 型网络拓展光电二极管跨阻放大器（TIA）解决方案的适用范围，详细分析环路增益图、噪声以及单电源供电等方面。 部分介绍了基本 TIA 设计的简化补偿流程，并通过添加 T 型网络将所需的补偿电容提升到高于寄生电容的水平。在第二部分中，我们将深入研究 T 型网络对电路环路增益（LG）图的影响，并阐明其与 T 型网络设计代数之间的关系。 使用 T 型网络修改 LG 图 为了对 T 型网络方案进行补偿，我们需要调整部分中图 2 的原始 LG 图的每个部分，包括环路内 T 型网络的影响。通过一系列的调整，如低频噪声增益上移、Z1 频率外移、放大器等效的 Aol 曲线下移等，我们可以得到修改后的 LG 图（如图 1 所示）。
将这些 LG 曲线修改应用于部分中图 5 的示例，并使用 2.78 的 T 型网络增益，LG 曲线上的关键元素会发生相应的调整。例如，低频噪声增益上升至 8.9 dB，Z1 外移至 1.63 MHz，有效 GBP 下降至 467 MHz 等。这些调整使得所需的 Cf 上移，对于特别棘手的设计，所需电容值或许会落入可实现的范围。 使用 T 型网络的总输出积分噪声 采用 T 型网络时，除了运算放大器的输入电流噪声，其他所有噪声项的增益都会发生变化。输入电压散粒噪声经过噪声增益曲线的放大后到达输出端，其带宽将受到限制。T 型网络使噪声增益零点频率上移，在从低频到这一新零点频率的范围内，系统的增益将从 1 提升至 At。使用 T 型网络会增加噪声，但输出积分噪声的这一部分通常是总噪声的一个非常小的部分，它不会使总噪声增加超过 0.5%。 在输出积分噪声中，更显著的部分是反馈电阻产生的约翰逊噪声，它会被 T 型网络自动放大。对比分析仅使用简单 Rf 电阻的情况和使用 T 型网络的情况，可发现该项的散粒噪声增大了√倍。在示例设计中，采用 T 型网络设计时，仿真积分噪声从无 T 型网络的 330 μV rms 增至 351 μV rms（仅 6%），原因是 Rf 噪声贡献从总噪声的 6% 增至 15%。 将设计修改为单电源供电 大多数 TIA 设计在采用单极性输出二极管工作时一般会用运算放大器在单电源条件下工作。为了实现更快速、更线性的响应，其零输入时的输出电压会设定为略高于负供电轨的电平，以避免输出级发生饱和。当 V + 输入需要实际接地时，简单的方法是引入一个小的负电源。若没有负电源，可采用图 2 所示的修改设计。
在 + 5 V 单电源下，图 2 设计的小信号交流响应峰值仅为 0.25 dB，并在 28.8 MHz 处开始滚降。图 3 展示了单电源设计的 T 型网络的小信号带宽（SSBW）。
利用 JFET 输入器件来应用 T 型网络 为了展示该 T 型网络技术的应用优势，我们基于一个 100 pF 检波器，并使用单位增益稳定型 AD8065 JFET 输入 FastFET器件，实现了一个 50 MΩ 设计。简易设计需要 0.1 pF Cf，此值过低，难以实现。若以 Rf 电阻的 0.2 pF 寄生电容为目标，则需要图 5 所示的 T 型网络设计。
测试仿真结果显示，巴特沃斯响应的 F - 3dB 确实出现在预期的 44 kHz。在该设计中，主要噪声项是峰值 NG 与 AD8065 的 7 nV 输入电压噪声的乘积，而增加的噪声项在引入 T 型网络后变化不大。 结语 简易 TIA 设计需要一个过低的反馈电容 Cf 值，导致难以实现。这种情况下，使用 T 型电阻网络是一种简单可行的解决方案。它能提升所需的 Cf，同时维持原有的增益和 SSBW，不过输出积分噪声可能会略有增加。这种简单方法也可以推广，用来把所需的 Cf 调整到标准 C 值，以方便工程实现。务必考虑电阻上的 0.20 pF 典型寄生电容。T 型网络还能减少 V + 输入端偏置电流消除电阻所导致的输入共模电压偏移。如果使用该偏置电流平衡电阻，请务必为 V + 输入端的该电阻添加一个噪声带宽限制电容。
