作為密集波分復(fù)用電路中使用的光功率計的開發(fā)的一部分，我們對一種對數(shù)運算互阻抗前置放大器進(jìn)行了研究，將其性能與另一種開關(guān)增益互阻抗前置放大器進(jìn)行了比較。利用MMICAD LAYOUT™軟件以及LPKF C60 樣品電路板雕刻機(jī)，我們制作了電路的樣品。

上市周期以及設(shè)計的完整性對當(dāng)今高度競爭，快速發(fā)展的通訊市場而言，是兩個至為關(guān)鍵的因素。如果能夠在自己的設(shè)計室內(nèi)，利用精密的銑刻系統(tǒng)，生產(chǎn)樣品電路板，將使公司受益良多。這意味著，你能更快的獲得樣品，更好的保護(hù)自己的知識產(chǎn)權(quán)，同時不會受到任何有害化學(xué)物質(zhì)的侵害。銑刻的線路能夠更好的反映CAD系統(tǒng)的綜合分析。當(dāng)應(yīng)用蝕刻方法量產(chǎn)產(chǎn)品時，你可以據(jù)此提出適當(dāng)?shù)男拚？紤]到所有這些益處，設(shè)計師們有理由相信，在制作樣品電路板時，銑制線路方法和化學(xué)方法一樣有效。

我們所討論的對數(shù)放大器在運算放大器的反饋回路中使用了一對相互反平行的二極管（圖一）。光敏二極管陣列中的一個二極管中的所測得的電流被引到該對數(shù)放大器的輸入端。

圖一：電路原理圖（MMICAD SCHEMATIC™)

MMICAD SCHEMATIC™軟件被用來做電路布局布線，數(shù)據(jù)被以擴(kuò)展Gerber RS-274X格式導(dǎo)出。這個格式能夠被LPKF C60樣品電路板雕刻機(jī)直接識別（圖二）。

圖二：LPKF ProtoMat® C60雕刻機(jī)。

對擴(kuò)展Gerber RS-274X格式的支持是MMICAD LAYOUT的一個新特性。在這種格式中，“刀具”的信息被以一種標(biāo)準(zhǔn)的方式包含在數(shù)據(jù)文件中。圖三是四通道對數(shù)互阻抗放大器在MMICAD LAYOUT中的布線圖。

圖三：互阻抗放大器布線圖。

圖四是一張貼片組裝后的PCB照片。這個PCB是使用LPKF的樣品板雕刻機(jī)制作的。

圖四：裝配板

該樣品板使用的FR4材料厚度為62mil，其上有一盎司（35µm）的銅鉑。使用這種銑制方法，制作這樣一個放大器樣品板大約只需要15分鐘。由于銑刻的軌跡方正筆直（圖五），銑制出來的線路與MMICAD中的設(shè)計原型就可以吻合的非常之好。

圖五：LPKF ProtoMat® C60加工的10 mil (250µm)銑槽。

為了進(jìn)行比較，在圖六中，我們展示了使用開關(guān)增益，實際開關(guān)反饋電阻以及對數(shù)互阻抗結(jié)構(gòu)時相應(yīng)的寬動態(tài)范圍。 

圖6a:開關(guān)增益TIA結(jié)構(gòu)的傳輸響應(yīng)。

圖6b:基于二極管反饋的TIA結(jié)構(gòu)的傳輸響應(yīng)。

圖7是均方根噪聲電壓關(guān)于等效光輸入功率的函數(shù)曲線。我們預(yù)先假設(shè)了單個光敏二極管的響應(yīng)率為0.2 Amp/watt。在具體做測量時，我們在前置TIA放大級的輸入端導(dǎo)入一個量化的電流，然后用一個連接了電腦的高精度低噪聲的16位A/D轉(zhuǎn)換器來測量輸出端的噪聲水平。為了最小化輸入端電流源帶來的電氣噪聲，我們在電流源中使用了低噪聲的金屬薄膜芯片電阻。

圖7 均方根噪聲電壓比上輸入功率。

從以上的測量結(jié)果可以看出，對于線性TIA放大級來說，它的均方根噪聲響應(yīng)，不論其為高增益還是低增益，都是一條水平直線。對于低增益放大級，RMS噪聲電壓大約為20 µV；在高增益的情形，這個值大約為100 µV。在實際應(yīng)用中，當(dāng)輸入光功率小于–35 dBm時，放大器需要能夠從低增益切換到高增益。

與此不同的是，對數(shù)TIA前置放大器的RMS噪聲電壓隨著入射光功率的減小而近似線性增加。這是因為，隨著入射光功率的減小，從光敏二極管進(jìn)入放大器的電流隨之減小，從而導(dǎo)致反饋二極管的小信號阻抗增加；TIA的增益隨之增加，最終引起RMS噪聲電壓的上升。

結(jié)論

這兩種互阻抗前置放大器的設(shè)計各有利弊。開關(guān)增益放大電路相對而言更加穩(wěn)定而且修正起來簡單明了。而對數(shù)互阻抗設(shè)計允許放大器有更大的動態(tài)范圍，它的傳輸函數(shù)是簡單的線性關(guān)系并且它的電路更加簡單。在噪聲水平方面，開關(guān)增益電路對輸入信號依賴較少，其高增益和低增益狀態(tài)下的噪聲水平值不同。相反，對數(shù)電路的噪聲于輸入功率線性相關(guān)。只有考慮系統(tǒng)的需要，我們才能決定選擇怎樣的放大器結(jié)構(gòu)。

從樣品板的制作活動上考慮，樣品板制作的目的是在保證電路電氣性能的基礎(chǔ)上，通過制作樣品板來獲得一個令人滿意的設(shè)計。因此，樣品板設(shè)備必須能夠達(dá)到卓越的機(jī)械精度。并且，考慮到大多數(shù)的設(shè)計總是要經(jīng)過反復(fù)的修改，快速高效的樣品板制作就能夠為設(shè)計節(jié)約大量的時間。如果把設(shè)計圖交給當(dāng)?shù)氐碾娐钒鍙S，讓他們代為加工，那么，你通常需要等上一周的時間。等板子終于回來的時候，你可能已經(jīng)把這個設(shè)計放在了一邊。對于某些時間緊的項目，如此累積的停頓時間可能成為嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。

作者：J. Wareberg, D. Kennedy, OPTOTEK LTD. / S. Schmidt, LPKF Laser and Electronics