光电二极管放大器的信号带宽的原理及典型特性分析
●>1MHz跨阻带宽
●良好的VOS长期稳定性
●偏置电流：50pA（最大）
●失调电压：25μV（最大）
●动态范围：4至50年
●漂移：0.1μV/℃（最大值）
●增益带宽：90MHz
●安静电流：7.5mA
●供电范围：2.7V至5.5V
●单、双版本
●微封装：MSOP-8
应用
●光电二极管监控
●精密I/V转换
●光放大器
● CAT-前端
阐明
系列跨阻放大器提供高速（90MHz 增益带宽 [GBW]）运行，具有极高的精度、出色的长期稳定性和极低的 1/f 噪声。 它是高速光电二极管应用的理想选择。 它的偏置电压为25μV，偏置电流为0.1μV/°C，偏置电流为50pA。 远远超过传统 JFET 运算放大器提供的失调、漂移和噪声性能。
跨阻放大器的信号带宽在很大程度上取决于放大器的 GBW、光电二极管的寄生电容和反馈电阻。 90MHz GBW 在大多数配置中可实现大于 1MHz 的跨阻带宽。 非常适合光纤功率级的快速控制环路。
由于其高精度和低噪声特性，可实现 4 至 50 年的动态范围。 例如，此功能允许在单个 I/V 转换级中测量 1nA 至 100μA 量级的信号电流。 与对数放大器相比，在整个动态范围内提供非常宽的带宽。 通过使用外部下拉电阻可将输出电压范围扩展到-5V，包括0V。
（单）提供 MSOP-8 和 SO-8 封装。 （双）采用微型 MSOP-8 封装。 指定温度范围为 -40°C 至 +125°C。
相关设备
引脚分配 - 顶视图
注：（1）、NC表示无内部连接。
典型特性：VS=+2.7V 至 +5.5V
除非另有说明，所有规格均在 TA=+25°C、RL=2kΩ 连接到 VS/2 和 VOUT=VS/2 条件下测得。
应用信息
基本操作
它是一款高性能跨阻放大器，具有极低的 1/f 噪声。 由于其独特的结构，它具有良好的长期输入电压失调稳定性，150℃下300小时的寿命测试表明，随机分布变化约等于1μV的测量重复性。
该性能来自内部自动调零放大器和高速放大器的组合。 与传统的复合方法相比，该电路设计改善了过载恢复和稳定时间。 它经过专门设计和特性，可容纳允许 0V 输出操作的电路选项（见图 3）。
对于反相配置，非反相输入用作固定偏置点。 图 1 显示了典型配置。 应使用 1μF 陶瓷或钽电容器绕过电源引脚。 不建议使用电解电容。
工作电压
系列运算放大器的额定电压范围为 2.7V 至 5.5V，工作温度范围为 −40°C 至 +125°C。 典型特性中显示了随工作电压或温度而显着变化的参数。
内部偏移校正
该系列运算放大器采用自动调零拓扑，在信号路径中具有时间连续的 90MHz 运算放大器。 该放大器采用专有技术每100μs执行一次零点校正。 加电后，放大器需要大约 400μs 才能达到指定的 VOS 精度，其中包括大约 100μs 的完整自动调零周期和偏置电路的启动时间。 在此之前，放大器将正常运行，但没有指定的偏置电压。
该设计几乎没有混叠并且噪声非常低。 零校正发生在 10kHz 的频率处，但由于内部滤波，在此频率处几乎没有基本噪声能量。 出于所有实际目的，任何故障能量均为 20 MHz 或更高，并且可以根据需要轻松过滤。 大多数应用对这种高频噪声不敏感，并且不需要滤波。
输入电压
该系列的输入共模电压范围从 V− 延伸至 (V+)-1.8V。 当输入信号高于此共模范围时，放大器将不再提供有效的输出值，但不会锁定或反转。
输入过压保护
器件输入受 ESD 二极管保护，当输入电压超过电源电压约 500 毫伏时，该二极管将导通。 如果电流限制为 10 毫安，则可以容忍电源超过 500 毫伏的瞬态电压。 该系列的一个特殊功能是，当输入超过电源时，如果输入受到电流限制，则不会出现相位反转。
输出范围
指定可在至少 600 mV 正轨和 100 mV 负轨电压上摆动至 2kΩ 负载，并具有良好的线性度。 它在摆幅到负轨时保持良好的线性度，并且可以扩展到0V截面以实现输出摆幅到地。 请参阅典型特性曲线、输出电压摆幅与输出电流的关系。
摆动幅度稍微接近规定的正轨； 然而，线性度会降低，并且高速过载恢复钳位会限制可用的正输出电压摆幅，如图 2 所示。
过载恢复
旨在防止输出饱和。 过驱动恢复正常后，通常只需 100ns 即可恢复线性运行。 负过载需要更长的时间才能恢复，除非使用连接到更负电源的下拉电阻将输出摆幅接地，以将输出摆幅一直延伸到负轨（请参阅下一节）。
实现输出摆幅
某些应用要求输出电压以高精度从 0V 摆动到正满量程电压（例如 +4.096V）。 对于大多数单电源运放来说，当输出信号接近0V、接近单电源运放输出摆幅的下限时就会出现问题。 好的单电源运算放大器可能会在接近单电源接地的位置摆动，但不会达到 0 伏。
输出可以在接地或略低于接地的电源上摆动。 这种扩展的输出摆幅需要使用另一个电阻器和一个额外的负电源。 您可以在输出和负电源之间连接一个下拉电阻，将输出下拉至 0V。 参见图 3。
有一个输出级允许使用这种技术将输出电压拉至其负电源轨。 然而，该技术仅适用于某些类型的输出级。 旨在与此方法很好地配合。 0伏以下的精度非常高。 保证在规定的温度范围内可靠运行。
单电源电路中的偏置光电二极管
当光电二极管未暴露在任何光线下时，+IN 输入可以用正直流电压偏置输出电压，并允许放大器输出指示真正的零光电二极管测量。 它还可以防止由于负电源轨而导致的额外延迟。 该偏压出现在光电二极管上，为更快的操作提供反向偏压。 放置在该偏置点的 RC 滤波器将降低噪声，如图 4 所示。该偏置电压还可用作范围不包括接地的 ADC 的失调偏置点。
跨阻放大器
宽带宽、低输入偏置电流、低输入电压和电流噪声使其成为理想的宽带光电二极管跨阻放大器。 低压噪声很重要，因为光电二极管电容会导致电路的有效噪声增益在高频下增加。
跨阻设计的关键要素如图 5 所示：
总输入电容（CTOT），由光电二极管电容（Cd二极管）加上寄生共模和差模输入电容（3pF + 1.1pF）组成；
所需的跨阻增益 (RF)；
(90MHz) 增益带宽积 (GBW)。
通过设置这三个变量，可以设置反馈电容值（CF）来控制频率响应。 它是 RF 的杂散电容，对于典型的表面贴装电阻器来说为 0.2pF。
为了获得最大平坦二阶巴特沃斯频率响应，反馈极点应设置为：
带宽计算公式如下：
这些方程将得出最大跨导带宽。 对于更高的互阻抗带宽，可以使用高速 CMOS (()) 或 (())。
如需了解更多信息，请参阅应用公告 AB−050()，直观补偿跨阻放大器。
图 5：跨阻放大器
注：(1) CF 是可选的，以防止增益峰值。
(2) 是 RF 的杂散电容（表面贴装电阻通常为 0.2pF）。
(3) CTOT 是光电二极管电容加上输入电容。
跨阻带宽和噪声
限制 RF 设置的增益可以减少跨导电路输出处的噪声。 然而，所有所需的增益都应该发生在互阻抗级，因为在互阻抗放大器之后增加增益通常会产生较差的噪声性能。 RF产生的噪声的频谱密度随着RF的平方根而增加，而信号则线性增加。 因此，当所有需要的增益都放在跨阻级时，信噪比就会得到改善。
总噪声随着带宽的增加而增加。 将电路带宽限制在所需范围内。 即使在考虑总输出噪声时不需要稳定性，也可以在反馈电阻器 RF 上使用电容器 CF 来限制带宽。
图 6a 显示了没有反馈电容器的跨阻电路。 该电路产生的跨阻增益如图 7 所示。-3dB 点约为 10MHz。 添加 16pF 反馈电容器（图 6b）将限制带宽并在大约 1MHz 处产生 -3dB 点（见图 7）。 通过添加滤波器（求和）以创建第二个极点，可以进一步降低输出噪声（图 6c）。 第二个极点放置在反馈环路中，以保持放大器的低输出阻抗。 （如果极点放置在反馈环路外部，则需要额外的缓冲器，这会无意中增加噪声和直流误差）。
用RDode表示二极管等效电阻，CTOT表示二极管等效电容加上输入电容，噪声零点fZ由下式计算：
图 6：具有可变总噪声增益和集成噪声增益的互阻抗电路结构
这些电路结构对输出噪声的影响如图 8 所示，对集成输出噪声的影响如图 9 所示。通过选择滤波器值创建 2 极巴特沃斯滤波器（通带内最大平坦）使用以下等式：
有：
图 6b 中的电路衰减为 20dB/。 图 6c 所示的带有附加滤波器的电路衰减为 40dB/，从而改善了噪声性能。
图 10 显示了二极管电容对集成输出噪声的影响（使用图 6c 中的电路）。
如需了解更多信息，请参阅 FET 互阻抗放大器的噪声分析 () 和高速运算放大器的噪声分析 ()，可从 TI 网站下载。
电路板布局
最大限度地减少求和点（逆变器输入）处的光电二极管电容和杂散电容。 该电容导致运算放大器的电压噪声被放大（高频放大）。 使用低噪声电压源反向偏置光电二极管可以显着降低其电容。 较小的光电二极管具有较低的电容。 光学器件用于将光聚焦在小型光电二极管上。
电路板漏电会降低设计良好的放大器的性能。 仔细清洁电路板。 求和点周围并以相同电压驱动的电路板保护走线有助于控制泄漏，如图 11 所示。
其他测量小电流的方法
对数放大器用于将极宽的动态范围输入电流压缩到更窄的范围内。 宽输入动态范围为 8 年，或 100 Pa 至 10 mA，并可容纳 12 位 ADC 输入。 （推荐欧意交易所：,,,.）
通过对电容器上的电流进行积分，可以精确测量非常小的电流。 （推荐欧意交易所：）
低电平电流可以转换为高分辨率数据字。 （推荐产品：）
有关可用产品系列的更多信息，请使用上面的具体型号名称或使用关键字和对数进行搜索。
电容负载和稳定性
系列运算放大器可驱动高达 500pF 的纯电容负载。 增加增益可提高放大器驱动更大容性负载的能力（请参阅典型特性曲线、小信号过冲与容性负载）。
一种改进的方法是插入一个10Ω电阻与10Ω负载串联。 这可以减少大容性负载时的振铃，同时保持直流精度。
驱动快速 16 位模数转换器 (ADC)
系列针对驱动快速 16 位 ADC（例如运算放大器）进行了优化。运算放大器可缓冲转换器的输入电容以及由此产生的电荷注入，同时提供信号增益。 图 12 显示了以单端方法连接的 16 位、2MSPS ADC。 请参阅数据表了解更多信息。
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