可編程增益跨阻放大器使光譜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大

　　簡介

　　利用光電二極管或其他電流輸出傳感器測(cè)量物理性質(zhì)的精密儀器系統(tǒng)，常常包括跨阻放大器（TIA）和可編程增益級(jí)以便最大程度地提高動(dòng)態(tài)范圍。本文通過實(shí)際例子說明實(shí)現(xiàn)單級(jí)可編程增益TIA以使噪聲最低并保持高帶寬和高精度的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)。

　　跨阻放大器是所有光線測(cè)量系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊。許多化學(xué)分析儀器，如紫外可見（UV-VIS）或傅里葉變換紅外（FT- IR）光譜儀等，要依賴光電二極管來精確識(shí)別化學(xué)成分。這些系統(tǒng)必須能測(cè)量廣泛的光強(qiáng)度范圍。例如，UV-VIS光譜儀可測(cè)量不透明的樣品（例如使用過的機(jī)油）或透明物質(zhì)（例如乙醇）。另外，有些物質(zhì)在某些波長具有很強(qiáng)的吸收帶，而在其他波長則幾乎透明。儀器設(shè)計(jì)工程師常常給信號(hào)路徑增加多個(gè)可編程增益以提高動(dòng)態(tài)范圍。

　　光電二極管和光電二極管放大器

　　討論光電二極管放大器之前，快速回顧一下光電二極管。當(dāng)光線照射其PN結(jié)時(shí)，光電二極管會(huì)產(chǎn)生電壓或電流。圖1顯示的是等效電路。該模型表示光譜儀所用的典型器件，包括一個(gè)光線相關(guān)的電流源，它與一個(gè)大分流電阻和一個(gè)分流電容并聯(lián)，該電容的容值范圍是50 pF以下（用于小型器件）到5000 pF以上（用于超大型器件）。

　　圖1. 光電二極管模型

　　圖2顯示了典型光電二極管的傳遞函數(shù)。該曲線看起來與普通二極管非常相似，但隨著光電二極管接觸到光線，整個(gè)曲線會(huì)上下移動(dòng)。圖2b是原點(diǎn)附近傳遞函數(shù)的特寫，此處無光線存在。只要偏置電壓非零，光電二極管的輸出就不是零。此暗電流通常用10 mV反向偏置來指定。雖然用大反向偏置操作光電二極管（光導(dǎo)模式）可使響應(yīng)更快，但用零偏置操作光電二極管（光伏模式）可消除暗電流。實(shí)踐中，即使在光伏模式下，暗電流也不會(huì)完全消失，因?yàn)榉糯笃鞯妮斎胧д{(diào)電壓會(huì)在光電二極管引腳上產(chǎn)生小誤差。

　　圖2. 典型光電二極管傳遞函數(shù)

　　在光伏模式下操作光電二極管時(shí)，跨阻放大器（TIA）可使偏置電壓接近0 V，同時(shí)可將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓。圖3所示為TIA的最基本形式。

　　圖3. 跨阻放大器

　　直流誤差源

　　對(duì)于理想運(yùn)算放大器，其反相輸入端處于虛地，光電二極管所有電流流經(jīng)反饋電阻Rf。Rf 的一端處于虛地，因此輸出電壓等于 Rf × Id。為使這種近似計(jì)算成立，運(yùn)算放大器的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓必須很小。此外，小輸入失調(diào)電壓可以降低光電二極管的暗電流。一個(gè)很好的放大器選擇是AD8615，室溫下其最大漏電流為1 pA，最大失調(diào)電壓為100 μV。本例中，我們選擇Rf = 1 MΩ ，以便在最大光輸入條件下提供所需的輸出電平。

　　不過，設(shè)計(jì)一個(gè)光電二極管放大器并不像為圖3所示電路選擇一個(gè)運(yùn)算放大器那樣簡單。如果只是將Rf = 1 MΩ 跨接在運(yùn)算放大器的反饋路徑上，光電二極管的分流電容會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器振蕩。為了說明這一點(diǎn)，表1顯示了典型大面積光電二極管的Cs 和 Rsh 。表2列出了 AD8615的主要特性，其低輸入偏置電流、低失調(diào)電壓、低噪聲和低電容特性使它非常適合精密光電二極管放大器應(yīng)用。

　　圖4. 光電二極管放大器模型（a）和開環(huán)響應(yīng)（b）