跨阻放大器的基础知识

我很惊讶跨阻放大器 （TIA） 和相关电路经常回到我们模拟设计人员的对话中。医疗光敏应用需要高水平的模拟精度和准确度。这些医学光传感技术现在正在与汽车和工业 LiDAR（光检测和测距）、安全、亮度控制和农业天气管理应用程序融合到数字领域。几个电路处理光传感任务；但是，我将专注于基础知识。初级模拟光传感或 TIA 电路提供了丰富的信息，这些信息将用于您的下一个光传感电路设计。

精密 TIA 电路

TIA 电路似乎相当简单，那么为什么在一个具有四个组件的电路上会产生喧嚣：一个光电二极管、一个放大器、一个反馈电阻器，通常还有一个反馈电容器？通过电源连接，这些电路可以接收光线并将照射的亮度转换为可用电压（图 1）。

图 1. 输入光电二极管 （PD） 两端电压为零的 TIA。

在图 1 中，光电二极管 （PD） 的放置跨越放大器的反相和同相输入。在黑暗环境中，这会迫使二极管两端的电压为 0V。照射到光电二极管上的光会产生从阳极到阴极的电流，表现为运算放大器输出电压 （V OUT ） 的增加。现在，您可能认为光电二极管的电流 （Ipd） 方向错误。在图 1 中，Ipd 的方向肯定与标准二极管操作相反。避免改变 Ipd 方向的陷阱。光控制光电二极管的电子和空穴在其 PN 结上的流动，导致电流从二极管的阴极传导到阳极。光电二极管的电流随着亮度的增加而增加。

在图 1 中，运算放大器的输出电压与 PD 的电流形成同相响应（图 2）。

图 2. 运算放大器的输出电压 （V OUT ） 与光电二极管 （PD） 的输出电流 （Ipd）。

在图 2 中，随着光电二极管亮度的增加，零偏置 TIA 响应的输出电压也会增加。亮度增加导致光电二极管输出电流增加。

当您确保精确性能时，有一些基本问题适用于该电路。光电二极管的输出电流取决于光强度。您会发现光电二极管的最大输出电流通常在微安 （mA） 范围内。另一方面，如果您正在检测低亮度信号，则光电二极管输出电流可能在皮安 （pA） 范围内。对于这些范围，例如，模拟血糖仪或 CAT 扫描仪需要整个放大器输出范围内的模拟粒度。

运算放大器直接连接到光电二极管。因此，放大器的输入偏置电流电平必须尽可能低。CMOS 或 FET 输入放大器通常具有皮安范围内的输入偏置电流。在图 1 中，MAX44280 运算放大器的最大输入偏置电流为 0.5pA。

数字 TIA 电路

数字 TIA 电路专为高速电路而设计，具有光电二极管数字、开关和输入信号（图 3）。

图 3. 在输入 PD 上施加负反向偏置电压的 TIA。

在图 3 中，PD 两端的负偏置电压降低了光电二极管的寄生电容，同时也增加了光电二极管的漏电流。这种较低的电容提高了 TIA 的速度。但是，提高任何系统性能总是有副作用的。当您提高 TIA 的速度时，您会因产生 PD 泄漏而损害精度。但这实际上并不是一个严重的妥协，因为脉冲信号现在具有在数字域中执行的电路，并且数字噪声容限很容易容忍泄漏电流误差。

在图 3 中，运算放大器的输出电压与 PD 电流的关系也会产生同相响应（图 4）。

图 4. 运算放大器的输出电压 （V OUT ） 与光电二极管 （PD） 的输出电流。

在图 4 中，随着光电二极管上的亮度增加，负反向偏置 TIA 响应的输出电压增加，从而导致光电二极管输出电流增加。

光电二极管不再直接跨运算放大器连接。关键放大器规格现在是输入电容和带宽。在图 3 中，MAX44280 运算放大器具有 0.4pF 的输入电容和 20MHz 的带宽。

结论

基本 TIA 设计用于精密系统，而数字 TIA 设计用于高速数字电路。在本文中，关键运算放大器规格是输入偏置电流和高 GBWP。但这个总体概述只是一个开始。

审核编辑：郭婷