主题中讨论的其他器件：Tina-TI、、 OPA855
您好！
我的目标是设计一款满足以下要求的互阻抗放大器：
- >= 1GHz -3dB 截止频率
- (理想情况下高达4-5GHz)
- >=+60dB 增益
- 毫伏的输出摆幅、从而馈送到 ADC
我目前正在使用 TINA-TI 来模拟 TIA、最终目标是将来生产出实际的电路。
跨阻放大器的电流源将来自理论上的 HgCdTe 红外光电探测器、该探测器可以输出大约为1微安的电流。
我已经选择将光电二极管模型仿真为1gohm 的并联电阻、1uA 的交流电流源和1GHz 的频率、以及1.6pF 的并联结电容、目前已将 OPA858以负反馈配置连接到该模型。 由于 OPA858的5.5GHz GBWP 和 FET 输入(用于超低偏置电流)、选择 OPA858。
我对放大器及其设计注意事项是个新手、并且对光电探测器中的结电容没有正确的预期。 因此、我一直在摆弄结电容、反馈电容和反馈电阻值、看看我能够在多大程度上提高单个 OPA858的能力。 我不知道如何在输出端模拟50欧姆 BNC 连接、以某种方式干扰电路、因此我只需放置一个50欧姆电阻器和一个电容器来制作允许2 GHz 通过的低通滤波器。 下面是我的电流原理图和增益与频率间的关系图：
现在、我唯一能够实现的稳定配置是使用 CJ = 1.6pF、CF = 1pF 以及 RF = 200Ohm。 我使用与电池并联的带有100nF 去耦电容器的+2.5V 和-2.5V 电源为 OPA858供电。 我的稳定性标准是、在与单个图上的开环增益曲线相交时、反向反馈因子是一条相对直线、这是我从 AllAboutCircuits 中学到的一种技术。
一般而言、我假设随着反馈电阻增加、总带宽减小、因此我选择200欧姆作为反馈电阻。 尽管我的初始目标是+60dB 增益、但这一事实依然存在。 有时、我决定将较高增益部分保留到随后的电压放大级、该放大级位于该跨阻放大级之后、因此我有理由降低这里的反馈电阻值。 我在工作时也假设、通常来说、电容器的亚皮法值在实际使用中是不可行的(最终目标是创建电路)、 较低的结电容值产生了更高的-3dB 切口、因此我一开始使用1pF 的结电容、然后尽力提高截止频率-3dB。
以下是我用于选择反馈电阻值的原理图和图、分别将反馈电容器和结电容器的值保持在1pF 和1.6pF 恒定：
尽管信噪比可能需要远高于实际值1、但通过对图形进行从0到10ns 的瞬态分析(与 TINA-TI 噪声分析函数相比)、得出噪声超过了1.23GHz 处信号的最大值。 下面是我之前在图表中给出的这些信息：
这将让我认为该电路带宽的最高限制是1.23GHz。 但除此之外、TINA-TI 中交流传输特征生成的相位图告诉我、在410.31MHz 时通过了-45度测试、 (我假设基于某些读数、-45度标记是一个有助于确定电路仍然稳定的频率范围的值)：
现在、我的电路的"-3dB 截止频率"已从1.68GHz 降低到了410.31MHz。
我有一些主要和次要的问题,我如何达到这一点和未来的问题,我不知道如何思考,并为此我会请求帮助:
- 问题1：我不知道满足我的设计要求有多现实。 至少、我想我已经得出这样的结论：只用一个运算放大器和没有进一步的电路是不可能的。
- 问题1a：我相信可用作该电路中电流源的实际光电探测器的结电容会比我仿真的结电容(大约10nF)高得多、 我选择1pF 是因为我只是想看看我能从 OPA858获得多少。 我不知道(嗯、可能是的、但我不知道如何做到)这是不可能的
满足我的设计要求、因为我知道结电容必须是如此高、而且检测器的电流输出将是如此低。 - 问题1b： 结电容是个问题、但还存在将系统设计为一个能够工作的互阻抗放大器从而进入工作电压放大器级的问题、我不知道如何设计工作电压放大器以及如何将两个级正确耦合在一起。 或者这是否甚至是答案。 我坚信、在单个级中具有尽可能多的增益将是最大程度地降低噪声的最佳选择、因此电压放大器可能不是正确的选择。 我离得很远。
- 问题1a：我相信可用作该电路中电流源的实际光电探测器的结电容会比我仿真的结电容(大约10nF)高得多、 我选择1pF 是因为我只是想看看我能从 OPA858获得多少。 我不知道(嗯、可能是的、但我不知道如何做到)这是不可能的
- 问题2：我不知道如何正确评估 TINA-TI 中的信噪比。 我猜是、我应该使用一些诸如瞬态响应中 Vrms 的指标除以噪声分析函数中的"总噪声"来获得任何给定频率的 SNR。
- 问题2a：如果我可以在保持信号振幅的同时降低总噪声、那么理论上这也是一种能够实际使用更多原始增益与频率关系图所描述的-3dB 带宽的方法。 我不知道如何降低该电路中的总噪声。
- 我一直在努力从《电子的艺术》一书及其补充材料《X 章节》中了解有关噪声分析和噪声设计注意事项的更多信息。 但是、 由于缺乏基本的电气工程知识(令人困惑的电阻/电容值选择、组件选择、拓扑选择、过于专注于了解固态物理、而不是获取要点并继续前进等)、我无法将这些知识运用到我的设计中。
- 问题2a：如果我可以在保持信号振幅的同时降低总噪声、那么理论上这也是一种能够实际使用更多原始增益与频率关系图所描述的-3dB 带宽的方法。 我不知道如何降低该电路中的总噪声。
- 问题3：我不知道如何在增加这个电路的增益的同时、也增加电路的可用带宽。
- 问题3a：我已经开始研究一种称为"自举"的电路拓扑、据称、通过将整个输入电容上的交流电压降保持在低电平、降低有效源电容、从而允许互阻抗放大器具有更高的带宽。
- 我了解到了这一概念、以及 Philip Hobbs 的"光电二极管前端： 真正的故事"和他的书"建设电光系统",但与我的方法"电子艺术",我只是不是从根本上理解如何应用他描述的概念,以我的情况. 即：
- 我了解到了这一概念、以及 Philip Hobbs 的"光电二极管前端： 真正的故事"和他的书"建设电光系统",但与我的方法"电子艺术",我只是不是从根本上理解如何应用他描述的概念,以我的情况. 即：
- 问题3b：我不知道如何选择在自举配置中使用哪种运算放大器或晶体管来实际实现更高带宽。 我也不知道在这种配置中使用耦合电容器来将自举放大器连接在一起的值、 或者大致说、 完成我的目标需要什么样的有效拓扑(是否还有带有反馈电阻器和电容器以及自举放大器的负反馈环路？ 该运算放大器的输出是否应与接地的光电二极管模型的同一节点相连？ 它甚至应该还是一个运算放大器？)。
- 问题3a：我已经开始研究一种称为"自举"的电路拓扑、据称、通过将整个输入电容上的交流电压降保持在低电平、降低有效源电容、从而允许互阻抗放大器具有更高的带宽。
这些问题现在摆在我的头脑中、同时我也在尝试正确理解上述阅读材料、千万不要介意这样一个事实、即我已经方便地附加了零个数学方程来支持到目前为止我已做出的任何设计选择、 很大程度上是因为我对我能够执行的任何计算都没有信心。
也就是说、我非常感谢对我的问题、方法和假设提供任何和所有的指导和反馈。
非常感谢。
Gabe
(SMA 连接器示例)