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

上市周期以及設計的完整性對當今高度競爭，快速發展的通訊市場而言，是兩個至為關鍵的因素。如果能夠在自己的設計室內，利用精密的銑刻系統，生產樣品電路板，將使公司受益良多。這意味著，你能更快的獲得樣品，更好的保護自己的知識產權，同時不會受到任何有害化學物質的侵害。銑刻的線路能夠更好的反映CAD系統的綜合分析。當應用蝕刻方法量產產品時，你可以據此提出適當的修正。考慮到所有這些益處，設計師們有理由相信，在制作樣品電路板時，銑制線路方法和化學方法一樣有效。

我們所討論的對數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，數據被以擴展Gerber RS-274X格式導出。這個格式能夠被LPKF C60樣品電路板雕刻機直接識別（圖二）。

圖二：LPKF ProtoMat® C60雕刻機。

對擴展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”的信息被以一種標準的方式包含在數據文件中。圖三是四通道對數互阻抗放大器在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。

為了進行比較，在圖六中，我們展示了使用開關增益，實際開關反饋電阻以及對數互阻抗結構時相應的寬動態范圍。 

圖6a:開關增益TIA結構的傳輸響應。

圖6b:基于二極管反饋的TIA結構的傳輸響應。

圖7是均方根噪聲電壓關于等效光輸入功率的函數曲線。我們預先假設了單個光敏二極管的響應率為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。

從以上的測量結果可以看出，對于線性TIA放大級來說，它的均方根噪聲響應，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。在實際應用中，當輸入光功率小于–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，從光敏二極管進入放大器的電流隨之減小，從而導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。

結論

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

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上，通過制作樣品板來獲得一個令人滿意的設計。因此，樣品板設備必須能夠達到卓越的機械精度。并且，考慮到大多數的設計總是要經過反復的修改，快速高效的樣品板制作就能夠為設計節約大量的時間。如果把設計圖交給當地的電路板廠，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，你可能已經把這個設計放在了一邊。對于某些時間緊的項目，如此累積的停頓時間可能成為嚴重的負擔。

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