跨阻放大器的基礎(chǔ)知識(shí)

我很驚訝跨阻放大器 （TIA） 和相關(guān)電路經(jīng)?；氐轿覀?a href="http://wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬設(shè)計(jì)人員的對(duì)話中。醫(yī)療光敏應(yīng)用需要高水平的模擬精度和準(zhǔn)確度。這些醫(yī)學(xué)光傳感技術(shù)現(xiàn)在正在與汽車和工業(yè) LiDAR（光檢測和測距）、安全、亮度控制和農(nóng)業(yè)天氣管理應(yīng)用程序融合到數(shù)字領(lǐng)域。幾個(gè)電路處理光傳感任務(wù)；但是，我將專注于基礎(chǔ)知識(shí)。初級(jí)模擬光傳感或 TIA 電路提供了豐富的信息，這些信息將用于您的下一個(gè)光傳感電路設(shè)計(jì)。

精密 TIA 電路

TIA 電路似乎相當(dāng)簡單，那么為什么在一個(gè)具有四個(gè)組件的電路上會(huì)產(chǎn)生喧囂：一個(gè)光電二極管、一個(gè)放大器、一個(gè)反饋電阻器，通常還有一個(gè)反饋電容器？通過電源連接，這些電路可以接收光線并將照射的亮度轉(zhuǎn)換為可用電壓（圖 1）。

圖 1. 輸入光電二極管 （PD） 兩端電壓為零的 TIA。

在圖 1 中，光電二極管 （PD） 的放置跨越放大器的反相和同相輸入。在黑暗環(huán)境中，這會(huì)迫使二極管兩端的電壓為 0V。照射到光電二極管上的光會(huì)產(chǎn)生從陽極到陰極的電流，表現(xiàn)為運(yùn)算放大器輸出電壓 （V OUT ） 的增加。現(xiàn)在，您可能認(rèn)為光電二極管的電流 （Ipd） 方向錯(cuò)誤。在圖 1 中，Ipd 的方向肯定與標(biāo)準(zhǔn)二極管操作相反。避免改變 Ipd 方向的陷阱。光控制光電二極管的電子和空穴在其 PN 結(jié)上的流動(dòng)，導(dǎo)致電流從二極管的陰極傳導(dǎo)到陽極。光電二極管的電流隨著亮度的增加而增加。

在圖 1 中，運(yùn)算放大器的輸出電壓與 PD 的電流形成同相響應(yīng)（圖 2）。

圖 2. 運(yùn)算放大器的輸出電壓 （V OUT ） 與光電二極管 （PD） 的輸出電流 （Ipd）。

在圖 2 中，隨著光電二極管亮度的增加，零偏置 TIA 響應(yīng)的輸出電壓也會(huì)增加。亮度增加導(dǎo)致光電二極管輸出電流增加。

當(dāng)您確保精確性能時(shí)，有一些基本問題適用于該電路。光電二極管的輸出電流取決于光強(qiáng)度。您會(huì)發(fā)現(xiàn)光電二極管的最大輸出電流通常在微安 （mA） 范圍內(nèi)。另一方面，如果您正在檢測低亮度信號(hào)，則光電二極管輸出電流可能在皮安 （pA） 范圍內(nèi)。對(duì)于這些范圍，例如，模擬血糖儀或 CAT 掃描儀需要整個(gè)放大器輸出范圍內(nèi)的模擬粒度。

運(yùn)算放大器直接連接到光電二極管。因此，放大器的輸入偏置電流電平必須盡可能低。CMOS 或 FET 輸入放大器通常具有皮安范圍內(nèi)的輸入偏置電流。在圖 1 中，MAX44280 運(yùn)算放大器的最大輸入偏置電流為 0.5pA。

數(shù)字 TIA 電路

數(shù)字 TIA 電路專為高速電路而設(shè)計(jì)，具有光電二極管數(shù)字、開關(guān)和輸入信號(hào)（圖 3）。

圖 3. 在輸入 PD 上施加負(fù)反向偏置電壓的 TIA。

在圖 3 中，PD 兩端的負(fù)偏置電壓降低了光電二極管的寄生電容，同時(shí)也增加了光電二極管的漏電流。這種較低的電容提高了 TIA 的速度。但是，提高任何系統(tǒng)性能總是有副作用的。當(dāng)您提高 TIA 的速度時(shí)，您會(huì)因產(chǎn)生 PD 泄漏而損害精度。但這實(shí)際上并不是一個(gè)嚴(yán)重的妥協(xié)，因?yàn)槊}沖信號(hào)現(xiàn)在具有在數(shù)字域中執(zhí)行的電路，并且數(shù)字噪聲容限很容易容忍泄漏電流誤差。

在圖 3 中，運(yùn)算放大器的輸出電壓與 PD 電流的關(guān)系也會(huì)產(chǎn)生同相響應(yīng)（圖 4）。

圖 4. 運(yùn)算放大器的輸出電壓 （V OUT ） 與光電二極管 （PD） 的輸出電流。

在圖 4 中，隨著光電二極管上的亮度增加，負(fù)反向偏置 TIA 響應(yīng)的輸出電壓增加，從而導(dǎo)致光電二極管輸出電流增加。

光電二極管不再直接跨運(yùn)算放大器連接。關(guān)鍵放大器規(guī)格現(xiàn)在是輸入電容和帶寬。在圖 3 中，MAX44280 運(yùn)算放大器具有 0.4pF 的輸入電容和 20MHz 的帶寬。

結(jié)論

基本 TIA 設(shè)計(jì)用于精密系統(tǒng)，而數(shù)字 TIA 設(shè)計(jì)用于高速數(shù)字電路。在本文中，關(guān)鍵運(yùn)算放大器規(guī)格是輸入偏置電流和高 GBWP。但這個(gè)總體概述只是一個(gè)開始。

審核編輯：郭婷