【电路分析】一种跨阻放大器应用电路的噪声估算

硬件电子工程师

【摘要】
目前大家设计得最多的莫过于高速数字芯片及相关电路设计和应用，对模拟的电路部分的设计涉及得很少。这里简单介绍一下高带宽低噪声跨阻放大器（TIA）应用电路的噪声估算方法，主要涉及的参数有带宽、增益及噪声。
' m! \3 \8 p+ ~9 @3 }$ i* r一、引言
0 S( F1 O' j& M# d6 u& P  l尽管目前很多模拟电路都集成到芯片的内部，只留了少量的电阻电容之类的元件在外面，减少设计的难度，但还是会有少数应用电路需要用到模拟芯片，比如说做一块处理微弱的模拟信号的评估板，需要放大好几级，没有专用芯片进行放大，就只能用模拟器件去搭建。对于微弱的信号，其信噪比是非常关键的参数，决定了小信号是否能检测出来。提高信噪比的重要方法是将低噪声，所以我们设计此类电路必须要对噪声进行估算，选择性价比合适的芯片，以提高设计的性能。这里简单介绍一下高带宽低噪声电路的噪声估算方法。
二、光电二极管+低噪声跨阻放大器的噪声估算
2 B* k0 ?: z2 h$ ^! y. Q9 l在光通信应用中，用得最多的两种光电二极管是PIN和APD。由于这种光电二极管产生的电流都很小，所以不能用一般输入噪声大的跨阻放大器直接处理。在实际应用中要求放大器具有高带宽、低噪声、高增益的性能，以便检测出微弱的信号，增强信噪比及信号质量、减小误码率，提高动态范围。
以下是工程中一典型的电路，电路主要由光电二极管和跨阻放大器组成。
Cpd---为光电二极管自身的电容，
- _1 D  d  c8 C9 a8 g5 q. sCin---为放大器输入电容，
Rf---为跨阻，将电流转化为电压，
4 \* G2 t0 g1 q5 ^- bCf---为相位补偿电容。

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9 Y: ^# h7 _+ g* P. |7 f信号的-3dB带宽为：
3 ~0 c. q7 q6 F! j, c5 z

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+ U& U1 i; [: N8 ?! M2 I+ Z其中，GBP为带宽增益积
Ct为Cpd、Cin之和
为了使电路稳定，最佳相位补偿电容的值为
3 Q) \3 J, h" n$ Z( x$ ]

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' f! p5 s' B/ N' @等效输入噪声电流为

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其中，In为放大器反向输入端的电流输入噪声
           En为放大器的输入电压噪声
           Cpd为光电二极管的电容
* K& E  C0 v! ~* R! `            F为链路的信号频率
9 {: c( D( i: ~2 r6 n0 `% Z

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/ j" J+ i! j8 M+ n% i5 |TIA输出的均方根噪声电压为：
- a$ u/ U, j1 b3 c0 }8 J/ H) f

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其中，
/ N' a9 M' `2 J& N3 oI^2npd为光电二极管的均方根噪声电流
2 ]5 g' w0 f; v  w/ l7 G9 F4 mF为放大器输出的带宽
) f2 m" B) T  d. E% s2 m' I设APD输出有用信号电流为Ipd
; o% F- H- O" s" i& q" u7 \; d，则其信噪比为：
$ b1 J$ M& t& u% \1 a# `

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- w/ ?) b; G1 C( p( y/ }7 J, q三、结论
  \- a/ W3 L) j; D- U* g" i7 U, A此电路的设计时要注意的几点：为了得到更高的带宽和增益，需要选择带宽增益积大的芯片，Rf越大，增益越高；为了得到更高的信噪比，需要选择输入电压/电流噪声小的芯片，另外，如果在带宽允许的前提下，可以适当降低带宽，增加Rf。
四、总结
2 w" M2 o/ N4 u8 P4 R, y, c0 y# Q6 R6 F利用上述的几个公式，我们很容易就能估算出TIA电路的噪声范围，对放大器的选型、后端电路的设计及误码率的计算具体一定的参考意义。