跨阻放大器的基本原理

TIA電路似乎相當簡單，那么為什么所有的喧囂都集中在一個有四個元件的電路上：光電二極管、放大器、反饋電阻和反饋電容呢？

令我驚訝的是，跨阻放大器（TIA）和相關(guān)電路經(jīng)常回到我們模擬設計人員的對話中。醫(yī)療光敏應用需要高水平的模擬精度和準確度。這些醫(yī)療光敏技術(shù)現(xiàn)在正與汽車和工業(yè)LiDAR（光檢測和測距）、安全、亮度控制和農(nóng)業(yè)天氣管理應用融合到數(shù)字領(lǐng)域。幾個電路處理光敏任務;但是，我將專注于基礎(chǔ)知識。主模擬光敏或 TIA 電路可提供豐富的信息，這些信息將貫穿于您的下一個光感測電路設計中。

精密 TIA 電路

TIA電路似乎相當簡單，那么為什么所有的喧囂都集中在一個有四個元件的電路上：光電二極管、放大器、反饋電阻，通常還有一個反饋電容呢？通過電源連接，這些電路可以接收光線并將撞擊亮度轉(zhuǎn)換為可用電壓（圖 1）。

圖1.TIA 在輸入光電二極管 （PD） 兩端具有零電壓。

在圖1中，光電二極管（PD）的位置位于放大器的反相和同相輸入端。在黑暗環(huán)境中，這迫使二極管兩端的電壓為0V。光撞擊光電二極管會產(chǎn)生從陽極到陰極的電流，表現(xiàn)為運算放大器輸出電壓的增加（V外）?，F(xiàn)在，您可能會認為光電二極管的電流（Ipd）方向錯誤。在圖1中，Ipd的方向肯定與標準二極管操作相對應。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，導致電流從二極管的陰極傳導到陽極。光電二極管的電流隨著亮度的增強而增加。

在圖 1 中，運算放大器的輸出電壓與 PD 的電流的關(guān)系會產(chǎn)生同相響應（圖 2）。

圖2.運算放大器的輸出電壓（V外） 與光電二極管 （PD） 輸出電流 （Ipd） 的關(guān)系。

在圖2中，零偏置TIA響應的輸出電壓隨著光電二極管亮度的增加而增加。亮度的增加會導致光電二極管輸出電流的增加。

當您確保精密性能時，有一些基本問題需要適用于該電路。光電二極管的輸出電流取決于光強度。您會發(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，如果您檢測到低亮度信號，則光電二極管輸出電流可能在皮安（pA）區(qū)域。例如，對于這些范圍，模擬血糖儀或CAT掃描儀需要整個放大器輸出范圍內(nèi)的模擬粒度。

運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輸入放大器的輸入偏置電流通常在皮安范圍內(nèi)。圖1所示，MAX44280運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計，具有光電二極管數(shù)字、開關(guān)和輸入信號（圖 3）。

圖3.TIA，在輸入PD上施加負反向偏置電壓。

在圖3中，PD兩端的負偏置電壓降低了光電二極管的寄生電容，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。隨著TIA速度的提高，會產(chǎn)生PD泄漏，從而降低精度。但這實際上并不是一個嚴重的折衷方案，因為脈沖信號現(xiàn)在電路在數(shù)字域中工作，并且數(shù)字噪聲容限很容易容忍漏電流誤差。

在圖 3 中，運算放大器的輸出電壓與 PD 的電流的關(guān)系也會產(chǎn)生同相響應（圖 4）。

圖4.運算放大器的輸出電壓（V外） 與光電二極管 （PD） 輸出電流的關(guān)系。

在圖4中，負反向偏置TIA響應的輸出電壓隨著光電二極管上的亮度增加而增加，從而導致光電二極管輸出電流增加。

光電二極管不再直接連接在運算放大器上。現(xiàn)在，放大器的關(guān)鍵規(guī)格是輸入電容和帶寬。圖3所示，MAX44280運算放大器具有0.4pF輸入電容和20MHz帶寬。

結(jié)論

基本 TIA 設計適用于精密系統(tǒng)，而數(shù)字 TIA 設計適用于高速數(shù)字電路。在本文中，運算放大器的關(guān)鍵規(guī)格是輸入偏置電流和高GBWP。但這個總體概述只是一個開始。

審核編輯：郭婷