前段时间在TI的一篇关于单电源PD放大电路文档中,看到了它必须要加偏置电压的描述,参见图1。当时不太明白这样做的原因,这里进行仿真看下有无偏置电压会有多大的影响。
图1 TI文档中的单电源PD放大电路中一定要有的偏置电压
查到有资料说,这跟运放的恢复时间有关。任何运放的输出都不可能完全与电源轨重合,即使宣称是轨对轨输出的运放,比如AD8065;参见图2、图3。回过头看图1,假如没有偏置电压,即同相输入端直接接地,当PD没有光输入的时候它输出的电流IPD=0(实际上完全无光情况下PD也会有暗电流的,但很小、一般为pA级别,所以可以忽略),那么运放此时应该输出0V。
在图3中可以看到,它在单电源5V供电下,是不可能输出0V的。那么会发生什么情况呢?答案是运放输出会饱和的。 一旦运放进入饱和区,重新回到线性区是需要一定时间的,这个时间叫作“恢复时间” 。
图2 宣称轨对轨输出的运放AD8065
图3 单电源5V供电下AD8065的输出范围,并不会与电源轨道重合
这在PD测粒子的应用中可能是不被接受的。假如PD大部分时间都在无光情况下,突然来了一个光脉冲,由于恢复时间的影响,电路表现得就像带宽不够一样,波形会失真。
我们可以仿真看一下。仿真电路参见图5,电路设置的带宽为159Khz,根据公式可以计算出在这个带宽下最高允许的上升时间tr。公式为0.35/f(Hz)=tr(s),代入后得到tr为2.2us。因为这个公式假设运放为二阶系统,实际上运放并不是这样,所以预留一些裕量,我这里设置的输入信号tr为3.2us。电流波形参数设置参见图4,仿真电路为图5。
图4 仿真电路设置的tr为4us(0.1~0.9),电流从0uA到10uA
图5 单电源PD仿真电路(调整V2大小对比测试)
注意,仿真电路前一定要先看下频域响应以确认电路功能是否正确,比如有的线没有连接好,仿真软件是不会报错的。我这里频域仿真时就出问题了,带宽并不是我设置的159Khz,只有约25Khz。后来发现是因为图5中给PD建模中用到的二极管的缘故,去掉它才可以。实际中为PD建模,用的二极管为理想二极管。 仿真发现有无偏置电压、偏置电压大小,在频域仿真的时候就有差别了,参见表1 。
表1 不同偏置电压下的直流增益和截止频率
好啦,可以开始仿真看结果了。我们来对比下有无偏置偏压时输出信号是否会存在差别,这里对比的是0V偏置电压和0.5V偏置电压,因为偏置在后者电压时,频域响应才是正常的。而0V是最不正常的。
表2 不同偏置电压输出波形对比
图6 0V偏置电压情况下的输出波形
图7 0.5V偏置电压情况下的输出波形,tr为3.89us
最后,单电源PD放大电路应用,一定要加一个偏置电压,否则高频应用时会表现为带宽不够,造成失真。到时提前仿真看看效果是个不错的注意。
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