這是營銷學(xué)稱之為“尋找問題的解決方案”的經(jīng)典案例。這是針對(duì)實(shí)際信號(hào)如何實(shí)現(xiàn)LTC2387的全部SNR的一個(gè)例子。來自低電平電路、傳感器或現(xiàn)實(shí)世界的大多數(shù)信號(hào)都需要顯著的增益才能產(chǎn)生8Vp-p差分，在這種情況下，90+ dB SNR將是難以捉摸的。此示例適用于高功率光學(xué)應(yīng)用。本筆記中描述的電路是一個(gè)復(fù)合跨阻放大器，后接一個(gè)共模伺服，類似于本系列第二部分和“用于成像的近噪聲ADC驅(qū)動(dòng)器”（LT Journal 2013年7月）中所述的電路。

本例具有10K跨阻增益，就SNR而言，實(shí)現(xiàn)了幾乎透明的工作，產(chǎn)生的本底噪聲比滿量程雙極性正弦波低95.1 dB。我以這種特殊的方式陳述這一點(diǎn)是有原因的。雖然跨阻增益級(jí)為10K，但在共模伺服中隨之衰減，將0-10V偏移減小至0-4V。雖然它產(chǎn)生的本底噪聲是本系列中發(fā)布的驅(qū)動(dòng)器中最低的，但必須將其識(shí)別為主要用于單極性信號(hào)。我所目睹的許多跨阻放大器方案都采用了大量復(fù)雜性，以引入盡可能接近50%滿量程的失調(diào)，以嘗試使用ADC的整個(gè)輸入范圍;通常會(huì)在設(shè)計(jì)中增加噪聲、非線性、電路板面積、成本、重量、上市時(shí)間、故障模式和功耗。相反，他們通常可以簡(jiǎn)單地使用更高分辨率的ADC來獲得相同的動(dòng)態(tài)范圍。

至少在這種情況下，可以說丟棄一半輸入范圍的最大好處是雙極性零點(diǎn)處的低1/f區(qū)域。該ADC在雙極性零點(diǎn)時(shí)的1/f噪聲非常小，但在滿量程時(shí)，基準(zhǔn)電壓源中的1/f噪聲會(huì)發(fā)揮作用。該設(shè)計(jì)還具有低失調(diào)和失調(diào)漂移，但提供高達(dá)幾MHz的低失真。在高照明水平下具有低1 / f噪聲，甚至低噪聲寬帶似乎毫無意義，因?yàn)榇蠖鄶?shù)光源的噪聲似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了光本身，由于散粒噪聲而產(chǎn)生噪聲。光的噪聲性質(zhì)在較高的跨阻增益下變得更加明顯，可能使高跨阻增益下的SNR損失更容易接受。當(dāng)然，固態(tài)激光器非常嘈雜。此外，APD和光電倍增管在照明下非常嘈雜，因?yàn)榧词故抢硐氲墓庾颖对鲆矔?huì)隨著信號(hào)一起產(chǎn)生散粒噪聲的放大。此外，乘法并不理想。黑暗中的低噪聲特性對(duì)于高動(dòng)態(tài)范圍脈沖拉伸應(yīng)用非常重要，在這些應(yīng)用中，非常短的脈沖會(huì)導(dǎo)致被噪聲掩蓋的最小幅度。

因此，重申SNR聲明：作為單極性ADC，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)89.1 dB SNR。還是不錯(cuò)。

實(shí)際上，放大器并不是單極性的。在圖2所示的群體中，雙極性零點(diǎn)以下有足夠的可用范圍來容納約–15dBfs的信號(hào)功率。這有望適應(yīng)脈沖應(yīng)用中可能遇到的交流耦合噪聲或干擾源、二極管泄漏、下沖或直流基線恢復(fù)。事實(shí)上，它基本上能夠?qū)崿F(xiàn)雙極性操作，這是一個(gè)適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源電壓?jiǎn)栴}。例如，如果與接收左右偏振光的成對(duì)光電二極管一起使用，它可以是完全雙極的。

圖 1 從左到右的 TIA/驅(qū)動(dòng)器器件原型 LTC6268、LT1227、LT1395

基本原理是使用盡可能高的跨阻增益，然后通過共模伺服衰減到ADC，即使ADC輸入范圍可能已經(jīng)很大。在TIA中，信號(hào)與跨阻增益成正比，而噪聲與跨阻增益的平方根成正比。極端情況下，使用具有高輸出偏移能力的第二個(gè)放大器，高跨阻增益下的SNR可能相當(dāng)高。Glen Brisebois發(fā)表了一個(gè)涉及50V電源的例子，引起了一些爭(zhēng)議。TIA 本身是一個(gè)復(fù)合放大器，由 LTC6268 500 MHz FET 放大器組成，然后是 LT1227，后者是一款 36V 電流反饋放大器，用于開發(fā)高信號(hào)擺幅和反饋。事實(shí)上，LT1227 提供了用于驅(qū)動(dòng) ADC 的信號(hào)電源。以更高電壓放大器的形式將其推向荒謬的極端對(duì)于某些應(yīng)用可能是有意義的。

LTC?6268 是一款采用低電壓工藝制造的快速 FET 放大器，總電源限制為 5V，或在第一種情況下為 +3V、–2V。這將無法產(chǎn)生足夠的擺幅來產(chǎn)生高跨阻增益，從而達(dá)到我們想要的高動(dòng)態(tài)范圍。TIA增益可以被視為在ADC之前被共模伺服降低，但請(qǐng)記住，噪聲和信號(hào)都會(huì)降低，因此SNR的改進(jìn)得以保留。跨阻級(jí)后的顯著衰減也降低了FET電壓噪聲、失調(diào)和1/f區(qū)域的貢獻(xiàn)。

圖2 圖1所示電路板的10K跨阻系數(shù)

該電路的跨阻增益為10K。TIA本身旨在提供1 mA二極管電流，LT1227在0–10V時(shí)具有輸出偏移。一些早期的FET放大器可能能夠產(chǎn)生幾乎這種信號(hào)擺幅，而無需復(fù)合放大器或復(fù)雜的電源情況。該偏移在ADC上衰減至0–4V差分。來自TIA的單端驅(qū)動(dòng)通過可被視為Guanella balun的固態(tài)類似物轉(zhuǎn)換為ADC的差分驅(qū)動(dòng)。

在此跨阻增益下，第二級(jí)放大器 LTC1227 電流反饋放大器需要一個(gè)大約 13-15V 的正電源軌，Vss 為 –3 至 –5V。較高的電源使 LT1227 能夠產(chǎn)生 20-25V 電壓聚丙烯，并且可以在不對(duì)SNR或線性度造成太大影響的情況下實(shí)現(xiàn)更高的跨阻增益。我們已經(jīng)測(cè)試了 40K、100K 和 200K 的跨阻增益，TIA 和共模伺服之間的衰減也發(fā)生了相應(yīng)的變化。

在10K跨阻增益和1 mA二極管電流下，除非二極管面積非常大，否則這些是高光學(xué)照明水平。高二極管電容將提高本底噪聲，因?yàn)樵肼曉鲆嬗蒖決定蒂瓦特/2*pi*f*C二極管.在干涉儀中可能會(huì)遇到高光功率。

由于干涉儀涉及激光器，因此激光器的噪聲似乎是一個(gè)限制因素。事實(shí)上，該前端可能有助于測(cè)量激光噪聲水平。由于低電容二極管的有效面積小，光電二極管的滿量程照明水平高于陽光直射。這可以解釋為在陽光直射的情況下可以接收微弱的調(diào)制信號(hào)。陽光直射中存在的噪聲可能被認(rèn)為是一個(gè)絆腳石，但實(shí)際上，我們實(shí)驗(yàn)室中熒光燈中存在的80 KHz雜散絕對(duì)值比光功率差50 dB。此應(yīng)用程序的娛樂價(jià)值很高，例如，我們可以看到，我們工作臺(tái)上方燈具中的 3 個(gè)鎮(zhèn)流器以略有不同的頻率運(yùn)行。這不是電噪聲。

LTC2387 具有非常高的動(dòng)態(tài)范圍，因此預(yù)計(jì)動(dòng)態(tài)范圍將是線性的。然而，在光調(diào)制中沒有發(fā)現(xiàn)高度的線性度。因此，我們將重點(diǎn)關(guān)注互調(diào)失真。線性度測(cè)試以多種方式進(jìn)行。使用由 15K 電阻（在更高增益版本中為 100K）組成的電阻合路器（在更高增益版本中為 100K）饋入 J1 處的虛擬接地、由 2 × 15 pF 電容器組成的合路器進(jìn)行雙音測(cè)試，以及使用兩個(gè) RED 發(fā)射器和一個(gè)光電二極管進(jìn)行光學(xué)雙音測(cè)試。對(duì)于 *–13dBfs 左右的兩個(gè)音調(diào)，所有器件均可產(chǎn)生 –110 至 –115 dBfs 的 IM3/5。 （*相當(dāng)于 –7dBfs，但使用輸入范圍的 1/2） （直流或光偏置至 +1/2fs）

這兩種傳統(tǒng)的信號(hào)源測(cè)試都會(huì)提高噪聲增益，從而降低反饋因子，從而可能提高過程的穩(wěn)定性，并可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。但是，由兩個(gè)15 pF電容組成的合路器與30 pF光電二極管的情況類似。根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)光學(xué)雙色調(diào)實(shí)驗(yàn)來模擬實(shí)際操作條件。這使用了兩個(gè)調(diào)制的紅色LED，Cree Xlamps，通過光電二極管的自由空間組合。使用 Vishay TEMD5080X01 PIN 光電二極管，IM3 與通過高阻抗直接注入信號(hào)時(shí)看到的水平相似。

有證據(jù)表明，TIA本身在這方面并不占主導(dǎo)地位，因?yàn)楣怆姸O管的偏置對(duì)IM產(chǎn)品有一定的影響，采樣率也是如此，至少在200K版本中是這樣。失真在較低頻率下不會(huì)降低，這也免除了放大器的責(zé)任。對(duì)采樣速率的敏感性表明，來自輸出網(wǎng)絡(luò)的返回在一定程度上損害了采樣的線性度，并且輸出濾波器可能存在改進(jìn)的空間。輸出網(wǎng)絡(luò)中的不平衡可能會(huì)使共模伺服中的失真轉(zhuǎn)換為差分形式，但平衡該網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試對(duì)IM幾乎沒有影響。請(qǐng)注意，光學(xué)測(cè)試中的簡(jiǎn)單諧波失真非常高，我們只關(guān)注奇階IM。偶數(shù)階IM2產(chǎn)品不大，但由于這些產(chǎn)品可以組織成帶外，例如，如果將其用于自由空間光通信或傳感，并且使用調(diào)制帶寬的激勵(lì)限制為一個(gè)倍頻程。使用直接序列擴(kuò)頻波形進(jìn)行的測(cè)試表明，使用涉及此類調(diào)制的激勵(lì)進(jìn)行檢測(cè)可能是實(shí)用的。

這些IM的結(jié)果是通過高阻抗注入信號(hào)，暗示這種拓?fù)淇捎糜跈z測(cè)高壓交流或直流上的低幅度信號(hào)，使用非常高值的電阻器，延伸到兆歐姆。這與簡(jiǎn)單地衰減到您所說的傳統(tǒng)差分放大器有何不同？如果帶寬限制在20-30 KHz，LTC6362可以以低得多的功耗和復(fù)雜性產(chǎn)生類似的結(jié)果，但這種復(fù)合TIA產(chǎn)生的SFDR與2-3 MHz相當(dāng)，是LTC6362帶寬的100倍。這不會(huì)在偏移或 1/f 區(qū)域造成任何懲罰，后者可能是決定性因素。

如果R5的值明顯高于跨阻增益設(shè)置電阻#R1，則電路的失調(diào)性能主要由LTC6268 FET放大器決定。然而，如果 LTC6268 周圍有太多的本地反饋，則失調(diào)主要由 LT1227 主導(dǎo)。即使 LTC6268 配備沒有本地 DC 反饋，ADC 也不是重要的失調(diào)源。添加了本地反饋，以確保在沒有各種電源的電源排序的情況下，ADC不會(huì)過驅(qū)動(dòng)。如果直流失調(diào)很關(guān)鍵，則不應(yīng)有本地反饋（R5）。如果快速建立比失調(diào)更重要，則FET級(jí)周圍應(yīng)該有一些局部反饋。

偏移、失真和較小程度的噪聲可能會(huì)受到通過共模伺服的信號(hào)路徑中松散的公差分量的影響。輸出網(wǎng)絡(luò)中的電阻，至少R44和R45，最靈敏，應(yīng)為0.1%。如果在黑暗中失調(diào)漂移至關(guān)重要，則FET的虛擬地可以提高到2.048V（移除R6，旋轉(zhuǎn)R30以拾取J2上的偏置），在這種情況下，共模伺服不涉及電平偏移，只有共模交流抑制以及輸出網(wǎng)絡(luò)中電阻的容差， 在 LTC1227 的右側(cè)，則不那么重要。然后，F(xiàn)ET將在0-5V下工作。這已經(jīng)在200K版本中進(jìn)行了測(cè)試，并且在給定的采樣率下，室溫下的偏移變化不超過0.1 lsb。從ADC的角度來看，10K版本中使用的濾波器吸收性很強(qiáng)，在這種情況下，失調(diào)與采樣速率變化不大。在200K版本中，偏移受采樣率的影響。200K版本的濾波器在噪聲增益較高的混疊頻段中提供了更多的抑制。這可以在時(shí)間允許的情況下進(jìn)行改進(jìn)，或者通過電路板旋轉(zhuǎn)進(jìn)行改進(jìn)。從這個(gè)角度來看，ADC的0.1lsb為3 μV。這完全在熱電偶電壓的范圍內(nèi)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在復(fù)合TIA后具有顯著衰減，不僅降低了對(duì)TIA失調(diào)電壓和FET中1/f噪聲的靈敏度，還降低了對(duì)TIA中熱電偶效應(yīng)的靈敏度。它確實(shí)表明R30和R31應(yīng)該是同一類型的電阻。R30 被放大，以便在旋轉(zhuǎn)時(shí)便于返工。兩者應(yīng)該是同一類型。這種失調(diào)靈敏度水平還要求輸出網(wǎng)絡(luò)以差分形式完全復(fù)制，因?yàn)閾?dān)心從R31和R30到ADC的兩條路徑中的不同金屬。極低的偏移漂移、1/f 噪聲和異種金屬上的湍流氣流對(duì)于分辨極短脈沖至關(guān)重要......伸。

在SNR損失的情況下，也可以顯著提高跨阻增益，以降低電流。在稍微較高的跨阻增益下，如果放大器的跨阻增益為40K，例如250μA的光電流產(chǎn)生25V，然后在共模伺服模式下衰減因子為6，則驅(qū)動(dòng)器輸出中的噪聲密度仍將約為6 nV/rtHz，并且會(huì)產(chǎn)生幾乎相同的SNR。V抄送然后必須接近 30V，事實(shí)上，LTC1227 級(jí)中的增益必須更高，約為 （Vpeak/1.7）。非常高的跨阻增益可能需要使用LTC6268-10，經(jīng)過補(bǔ)償使其平坦到約50-60 MHz。 對(duì)于–10版本，低跨阻增益可能是一個(gè)壞主意。LT1227 輸出端的高偏移似乎需要 LTC6268-10 中較高的環(huán)路增益來保持線性度。這需要在R1附近使用非常低值的零電容。已經(jīng)評(píng)估了一個(gè)版本（下面以標(biāo)記形式顯示），并且性能良好，盡管可以預(yù)見地使用–10版本需要為每種類型的光電二極管定制補(bǔ)償。–10 附近的零電容必須比二極管電容小一個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至更多，因?yàn)橹髁汶娙輹?huì)影響反饋因子。注意C12處的0.15pF。

圖4 200K跨阻增益版本

在 10K 情況下，LTC1227 以一個(gè) 5.8 的同相增益工作，從而將過程中 FET 所需的輸出偏移限制在大約 1.7V。來自 FET 的有限輸出偏移要求 LT1227 級(jí)以較高的增益工作，例如，在 AV=10.2 在 200K 版本中。由于 LTC1227 位于由 LTC6268 建立的控制環(huán)路內(nèi)，因此 FET 放大器降低了電流反饋放大器的噪聲和失真貢獻(xiàn)。在 10K 版本中，在 1 MHz 頻率下，90% 的反饋電流來自 LT1227。這表明，在FET放大器的作用下，其噪聲和失真貢獻(xiàn)將降低20 dB。在 10 MHz 及更高頻率下，LT1227 僅受本地反饋的影響，因此其噪聲密度會(huì)很高。在這些方面，這種設(shè)計(jì)類似于本系列的第一部分。然后，濾波器將在較高頻率（包括第一混疊頻帶及更高頻率）下抑制第二級(jí)放大器的噪聲區(qū)域升高。該濾波器最初近似于高斯，將用作固定持續(xù)時(shí)間未知幅度脈沖應(yīng)用或固定幅度未知持續(xù)時(shí)間的脈沖拉伸濾波器。然而，在阻帶的進(jìn)一步中，濾波器具有類似橢圓的特性失諧，以抑制15 MHz左右的第一個(gè)混疊頻段。 瞬態(tài)響應(yīng)不會(huì)過沖。

在10K版本中，F(xiàn)ET放大器基本上配置為具有10pF反饋電容的積分器，但由于該放大器位于一個(gè)環(huán)路內(nèi)，后跟增益為5.8，因此其有效值約為1.7 pF。這與全局反饋路徑中的0.25pF零電容并行。因此，當(dāng)跨阻增益為10K時(shí)，放大器的帶寬約為10 MHz，但后面有一個(gè)拐角約為2.5MHz的濾波器。由于這是一個(gè)復(fù)合放大器，LTC6268周圍的10 pF零電容C1也是主導(dǎo)極點(diǎn)。相比之下，第二個(gè)放大器必須快速，或者更確切地說，低延遲，否則會(huì)影響相位裕量。

如果考慮 LTC6268-10，則 C1 必須小于二極管電容的 10%。另一個(gè)零電容C14也會(huì)影響環(huán)路穩(wěn)定性，對(duì)于大多數(shù)跨阻增益，必須為1 pF的一小部分。對(duì)于小于10 pF的傳感器，除非增加輸入電容，否則LTC6268-10可以說是不切實(shí)際的。如10K版本所示，從SMA上的開路（但具有電路板走線電容）到100 pF，甚至可能更高，這都是穩(wěn)定的。它在傳輸線末端的二極管電容下保持穩(wěn)定，甚至是開路短截線。對(duì)于 LTC6268-10，可能需要在二極管上安裝一個(gè)源端接電阻器以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性，具體取決于電纜長(zhǎng)度。這不會(huì)明顯影響噪聲密度。某些光電二極管可能不需要這樣做，具體取決于內(nèi)部串聯(lián)電阻。

第二級(jí) LT1227 電流反饋放大器被選用于高轉(zhuǎn)換速率和 36V 電源的組合。噪聲不如在FET放大器控制的環(huán)路內(nèi)那么重要，至少在低通濾波器定義的帶寬內(nèi)是這樣。其他采用較高電源電壓工作的高壓擺放大器在較高跨阻增益下可能具有類似的SNR。

LTC6268 確實(shí)具有一個(gè)相對(duì)較高的 1/f 轉(zhuǎn)角。然而，在此實(shí)現(xiàn)中，TIA的跨阻增益為10K，隨后ADC衰減8 dB，并且由于ADC在寬帶本底噪聲中占主導(dǎo)地位，因此在約1 KHz處產(chǎn)生1/f轉(zhuǎn)折。在增益較高的版本中，具有200K跨阻增益和15 dB衰減到ADC（LT1227需要+25V電源），噪聲主要由200K阻抗和噪聲折疊主導(dǎo)。在這種情況下，1/f 角被進(jìn)一步向下推，理論上大約 50 Hz，但我無法驗(yàn)證這一點(diǎn)。大變換的長(zhǎng)期平均值沒有顯示它，并且觀察到偏移變化尚無定論。本文將在可以確定時(shí)進(jìn)行更新。

圖 5 40K 版本中的光學(xué)雙音

圖5中的曲線是圖3中實(shí)驗(yàn)的互調(diào)測(cè)試結(jié)果，將兩個(gè)調(diào)制光信號(hào)組合在一個(gè)光電二極管中。這些圖中唯一重要的信息是–110和–111 dBfs下的3L和3U電平。當(dāng)這兩個(gè)信號(hào)關(guān)閉時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)的簡(jiǎn)單諧波不會(huì)以任何可識(shí)別的方式變化。

圖 6，使用兩個(gè) 15K 電阻器作為合路器的電氣雙音測(cè)試（10K 版本）

LTC產(chǎn)品組合中還有其他候選放大器可能適用。LTC6253 采用 SOT23 封裝，雖然不是 FET 放大器，但確實(shí)具有相當(dāng)?shù)偷脑肼曤娏骱碗妷骸TC的其他潛在有趣的替代方案與此板上的SOT23封裝不兼容。LTC6244 可用于此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于輸入電流為1 pA的放大器，它確實(shí)具有非常低的1/f轉(zhuǎn)折。它確實(shí)需要完全不同的補(bǔ)償和輸出濾波，即使這樣，也需要對(duì)1 MHz以上的頻率進(jìn)行DSP抑制。但是，使用該板上的濾波器拓?fù)洌梢猿浞忠种苹殳B頻帶。LTC6268-10/LT1227復(fù)合器件可能會(huì)對(duì)其他濾波器群感興趣，因?yàn)楸M管Guassian濾波器的帶寬為2.5 MHz，但TIA可以補(bǔ)償為保持平坦至10 MHz。

將頻率響應(yīng)延長(zhǎng)至10 MHz將導(dǎo)致一些SNR損失，共模伺服最好低于幾MHz，LTC2387也是如此，使用LTC2270甚至更高速的ADC來采用這種拓?fù)淇赡芨谩?/p>

審核編輯：郭婷