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跨阻放大器TIA简介

开会的时候,经常听到TIA这个词,虽然知道它是干嘛用的,但还不是特别了解。今天就主要收集下这方面的材料,补充一下这方面的知识。

TIA的全称是Transimpedance amplifier, 即跨阻放大器。先从字面上理解下,amplifier比较好理解,就是放大器,例如对电压放大。Transimpedance这个单词可以拆分成两部分,trans+impedance, trans是横跨的意思,impedance是阻抗的意思。横跨的阻抗,该怎么理解?横跨,应该对应放大器的输入输出端。阻抗,表明输入端与输出端的关系和电阻有关。

通过对英语单词的分析,能有个大概的判断。TIA是一种放大器,应用于将电流放大至电压的场景,例如光电探测器探测信号的放大。由于是将电流放大为电压,增益定义为输出电压除以输入电流,增益的单位是电阻,因此将这种类型的放大器称为跨阻放大器。PD接收到光信号后,产生的电流信号比较微弱(uA量级),因此需要利用TIA将其放大,便于后续的信号处理。

TIA的示意图如下图所示,

(图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Transimpedance_amplifier)

TIA的电路比较简单,主要由一个运放并联一个反馈电阻构成,通常还会并联一个反馈电容,用于提高系统的稳定性,如下图所示。

(图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Transimpedance_amplifier)

TIA的主要参数指标包括工作带宽、增益、输入噪声等。有限的带宽会导致码间减幅振荡,进而引起眼图的闭合。带宽通常取为信号速率的0.7倍左右。TIA的增益一般在几十kΩ左右。TIA的输入噪声会影响光接收器的灵敏度,TIA的噪声来源主要是热噪声。实际设计使用TIA时,需综合权衡这几个参数,达到性能的最优。下图是macom网站的截图,

(来自 https://www.macom.com/products/optoelectronics/transimpedance-amplifiers-1/transimpedance-amplifiers---comm)

对于TIA具体的参数分析与公式推导,可以参看文献1,这里就不详细分析了(主要是看不太懂。。。),列出两个重要的公式。带宽的计算公式如下,

R_f减小,带宽增大。但是R_f减小后,增益也会减小。因此需要TIA的增益与带宽间存在trade off, 需要选取合适的参数值。等效输入电流噪声的公式如下,

R_f减小,电流噪声增大。

以上是对TIA的简单介绍,作为光模块的电路组成部分,TIA发挥了重要作用。虽说是光学小豆芽,但也得对电芯片有所了解,有一个更全面深刻的认识。

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望大家不吝指出!

参考文献:

1. X. Ramus, Transimpedance Considerations for High-Speed Amplifiers

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:Photonwalker

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原始发表时间:2017-10-14

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