【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】
" l9 C3 r# V/ V0 [6 Y/ e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。
一、引言
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。
7 {  Y/ {( m- z. j$ |  ?# u; }二、光电二极管+低噪声跨阻放大器的噪声估算
$ d: K( n, Q# i9 N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。
* o! j  D5 l3 ]3 |( d2 j# [Cpd---为光电二极管自身的电容，
Cin---为放大器输入电容，
4 v9 k/ L# M$ I3 m- _# M8 g; pRf---为跨阻，将电流转化为电压，
Cf---为相位补偿电容。
. j& I7 M, ]: Z( x( H2 i' O/ l

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& r9 C$ N: k+ |; k' d% p信号的-3dB带宽为：
2 Q3 M( Y+ g8 C* K2 p- P

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" ?2 n' I6 L6 V' a9 _其中，GBP为带宽增益积
+ B8 X9 K% f- j8 s& [& q5 |& JCt为Cpd、Cin之和
为了使电路稳定，最佳相位补偿电容的值为
1 f; j* u1 W/ t& }* w+ x( u

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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
9 u1 z! W  p/ j$ `            F为链路的信号频率

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TIA输出的均方根噪声电压为：
; M( b  M& r! P& {& b1 R1 o

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) Q( m" T, |+ K6 L其中，
I^2npd为光电二极管的均方根噪声电流
F为放大器输出的带宽
% W( \( X8 }* F% \1 Y; M% S设APD输出有用信号电流为Ipd
! Q7 ?/ X9 m: C4 [1 q) W4 ~; Z8 P，则其信噪比为：

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三、结论
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
  M! e% G3 C' G$ s0 d6 E" I, `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。