跨阻放大器的基本原理

TIA电路似乎相当简单，那么为什么所有的喧嚣都集中在一个有四个元件的电路上：光电二极管、放大器、反馈电阻和反馈电容呢？

令我惊讶的是，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。这些医疗光敏技术现在正与汽车和工业LiDAR（光检测和测距）、安全、亮度控制和农业天气管理应用融合到数字领域。几个电路处理光敏任务;但是，我将专注于基础知识。主模拟光敏或 TIA 电路可提供丰富的信息，这些信息将贯穿于您的下一个光感测电路设计中。

精密 TIA 电路

TIA电路似乎相当简单，那么为什么所有的喧嚣都集中在一个有四个元件的电路上：光电二极管、放大器、反馈电阻，通常还有一个反馈电容呢？通过电源连接，这些电路可以接收光线并将撞击亮度转换为可用电压（图 1）。

图1.TIA 在输入光电二极管 （PD） 两端具有零电压。

在图1中，光电二极管（PD）的位置位于放大器的反相和同相输入端。在黑暗环境中，这迫使二极管两端的电压为0V。光撞击光电二极管会产生从阳极到阴极的电流，表现为运算放大器输出电压的增加（V外）。现在，您可能会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对应。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强而增加。

在图 1 中，运算放大器的输出电压与 PD 的电流的关系会产生同相响应（图 2）。

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

在图2中，零偏置TIA响应的输出电压随着光电二极管亮度的增加而增加。亮度的增加会导致光电二极管输出电流的增加。

当您确保精密性能时，有一些基本问题需要适用于该电路。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，如果您检测到低亮度信号，则光电二极管输出电流可能在皮安（pA）区域。例如，对于这些范围，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输入放大器的输入偏置电流通常在皮安范围内。图1所示，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.TIA，在输入PD上施加负反向偏置电压。

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，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。随着TIA速度的提高，会产生PD泄漏，从而降低精度。但这实际上并不是一个严重的折衷方案，因为脉冲信号现在电路在数字域中工作，并且数字噪声容限很容易容忍漏电流误差。

在图 3 中，运算放大器的输出电压与 PD 的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外） 与光电二极管 （PD） 输出电流的关系。

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

光电二极管不再直接连接在运算放大器上。现在，放大器的关键规格是输入电容和带宽。图3所示，MAX44280运算放大器具有0.4pF输入电容和20MHz带宽。

结论

基本 TIA 设计适用于精密系统，而数字 TIA 设计适用于高速数字电路。在本文中，运算放大器的关键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