【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。
" X$ T' B+ _2 d4 q! l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。
, k; d2 q8 l$ _7 t二、光电二极管+低噪声跨阻放大器的噪声估算
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，
9 I" g% W, b0 D* E2 a1 B2 |Cin---为放大器输入电容，
; y3 [) c1 x, H9 ZRf---为跨阻，将电流转化为电压，
) D3 S! O1 X" p, v3 O3 f% S3 r/ lCf---为相位补偿电容。

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: a/ d- e* Y3 `% ?信号的-3dB带宽为：
, a3 b4 J  d( J# @' ?3 V4 J; r

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其中，GBP为带宽增益积
Ct为Cpd、Cin之和
9 k$ t* x  u. N& j/ W0 g$ f9 ]为了使电路稳定，最佳相位补偿电容的值为
0 g8 c- h: y# U) Z* J3 [: M- W

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等效输入噪声电流为
, f7 B4 `; S- W! H- ^

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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
            F为链路的信号频率
. M" z% j3 n. c3 @  `

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TIA输出的均方根噪声电压为：

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, s6 S/ _: O( \: }- A! n其中，
I^2npd为光电二极管的均方根噪声电流
# Y8 y, k" v* j% m' A6 R3 ]F为放大器输出的带宽
设APD输出有用信号电流为Ipd
' R4 Q2 @5 \9 t8 R4 X6 e6 Z9 v，则其信噪比为：
0 ?1 O% B- f+ T2 ~1 L3 m6 {

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5 Z0 k: p5 f# ?0 d* o9 V7 I9 p三、结论
& _. p0 Z( m7 [1 \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
+ @  [* l" `* ~# j3 A/ s2 O4 R; z  {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。