【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】
+ x; l) F  r- e9 h8 U( J0 m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
& Q) f$ I7 g, A; w/ {9 ~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
" p4 j: ]# _7 E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，
7 }  l$ T5 D; g' k; N) V: R; e! d3 gCin---为放大器输入电容，
Rf---为跨阻，将电流转化为电压，
- P- {/ g7 ?" }& ]Cf---为相位补偿电容。
7 t* ~5 t. l" o5 r$ H1 T$ L

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信号的-3dB带宽为：
8 M0 F. r5 W1 r" |6 [4 u3 f

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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

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$ Z9 _5 K$ N8 U5 m等效输入噪声电流为
' q% K& f1 o! W6 {# a4 `: k

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: t: ^; \" ]% K$ S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
+ q3 ]# m& q' `  y) u5 `3 k           Cpd为光电二极管的电容
            F为链路的信号频率
9 F& a: B, m8 ]8 O1 i

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TIA输出的均方根噪声电压为：

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其中，
I^2npd为光电二极管的均方根噪声电流
$ Z. [& q- f3 C" i, aF为放大器输出的带宽
设APD输出有用信号电流为Ipd
，则其信噪比为：
# h3 j- C5 r0 H1 A- Z

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/ W0 p' _' ?  Y- q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。
: `& @: k# k$ J. X$ e四、总结
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。