如何使用全差分放大器构建 TIA 电路

跨阻抗放大器(TIA) 最常使用运算放大器(op amps) 构建。而且，越来越多的(如果不是全部的话)模数转换器(ADC) 是全差分系统，需要具有单端差分机制。对于需要直流耦合的应用，这主要是通过使用全差分放大器(FDA) 来实现的。

有没有办法使用 FDA 进行 I-to-V 转换，以及直接与 ADC 接口?简而言之，答案是肯定的，在这里我们将回顾实施和限制。

在进一步开发之前，我需要警告您使用 FDA 作为 TIA 的增益限制。双极输入级的输入偏置电流实际上会限制跨阻级可实现的最大增益。您可以预期输入偏置电流为几微安。在运算放大器中，如果输入偏置电流和反馈电阻都很大，则会在输出上产生偏移。在 FDA 中，输入偏置电流会产生共模偏移。这不是一个问题，因为输出电压摆幅是具有 FDA 输出级的运算放大器的两倍，但需要对其进行检查以获得更高的跨阻增益。

让我们从OPA843开始，它是一款具有出色噪声和增益带宽的双极放大器，增益设置为 20kW，光电二极管使用 1.5pF 输入电容。

OPA843提供了一个以前无法达到的速度和动态范围。使用高增益带宽(GBW)，两个增益级设计，OPA843提供了一个具有特殊动态范围的中等增益范围装置。“经典”差分输入补充了这种高动态范围与直流精度超过大多数高速放大器产品。极低的输入偏置电压和电流、高共模排斥比(CMRR)和电源排斥比(PSRR)以及高开环增益相结合，具有高直流精度放大器、低噪声和高三阶拦截。

12-16位转换器接口将受益于这种特性的组合。高速跨阻抗应用也可以以特殊的直流精度来实现。使用两个OPA843s的差分配置可以提供非常低的失真到高输出电压。

高带宽：260MHz(G=+5)

GAIN带宽产品：800MHz

低输入电压噪声：2.0nV/√Hz

非常低的失真：-96dBc(5MHz)

高度开放-LOOPGAIN：110dB

快速12位沉降：10.5ns(0.01%)

低输入偏移电压：300µV

输出电流：±100mA

应用程序

ADC/DAC缓冲放大器

低失真“if”放大器

有源过滤器

低噪声接收机

宽带跨步

在这些条件下，OPA843 可以实现约 57MHz 的平坦频率响应。见下图 1。

图 1：OPA843 TIA 配置

我们将监控的感兴趣的性能是：

1- 小信号频率响应及其相关的平坦度，以确保脉冲响应中没有振铃以及表现良好的相位变化。

2- 输出上的综合噪声。

3- 解决方案的功耗。

图 2 和图 3 显示了此处监控的 OPA843 性能。

图 2：OPA843 频率响应

图 3：OPA843 集成输出噪声

在 ±5V 电源下运行时，OPA843 的功耗约为 200mW。

查看 +5V 电源 FDA (70mW) THS4520 上的 14mA，我们可以通过在反馈路径中使用 10kΩ 电阻器来实现相同的 20kΩ 跨阻抗增益。要使该增益为 20kΩ，需要存在 C4。请注意，对于低于 R2 和 C4 形成的极点的频率(此处为 16Hz)，增益降低了 6dB。

图 4：THS4520 TIA 配置

尽管带宽有所增加，但THS4520实现了约 74MHz 的带宽，但集成噪声远低于 OPA843。这种降低的噪声部分是由于 THS4520 的电流噪声密度较低(相同的电压噪声密度)，但也由于用于实现相同增益的较低反馈电阻器和较高的补偿反馈电容器导致较低的噪声增益。降噪的两个主要术语是较低的噪声增益与频率和较低的反馈电阻及其相关的热噪声。结果绘制在图 5 和图 6 中。

图 5：THS4520 频率响应

图 6：THS4520 集成输出噪声