跨阻放大器的光伏模式和光電導(dǎo)模式

跨阻放大器（Trans-impedance amplifier，簡(jiǎn)稱TIA），主要應(yīng)用電流轉(zhuǎn)電壓的場(chǎng)合，常與光電二極管配合使用，來(lái)檢測(cè)微弱的光電信號(hào)。

為什么是跨阻放大器？

如果輸入光的光功率在幾百微瓦量級(jí)，假設(shè)光電探測(cè)器的響應(yīng)度為0.8A/W，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，光電流的大小只有幾百微安（倘若考慮光到探測(cè)器之間其它的光路損耗，甚至可能僅有幾十微安或更低）。普通運(yùn)算放大器的噪聲、失調(diào)電流電壓等就可能將如此小的電流信號(hào)淹沒(méi)掉了，這樣放大的基本上都是噪聲了。所以必須進(jìn)行濾波和誤差補(bǔ)償，以確保被放大的信號(hào)包含較少的噪聲，跨阻放大器就是起到了這個(gè)作用。

光電探測(cè)器與跨阻放大器結(jié)合可以分兩種情況：光伏模式和光電導(dǎo)模式。

光伏模式

由于運(yùn)放的同相輸入端接地，Vin+和探測(cè)器二極管的正極都等于0V；由于虛短，運(yùn)算放大器的同相輸入端Vin+和反相輸入端Vin-相等，因此，理論上探測(cè)器二極管兩端的電壓為0V。由于虛斷，運(yùn)放的同相輸入端Vin+和反相輸入端Vin-之間通過(guò)的電流為0A，那么探測(cè)器二極管的光生電流I完全流經(jīng)Rf，那么此時(shí)放大器的輸出電壓為

Rf稱為跨阻抗增益電阻器或反饋電阻器。

理論上，在零偏壓下，二極管不會(huì)產(chǎn)生暗電流，此時(shí)線性度和靈敏度最高，噪聲水平較低，該模式適合于高精度應(yīng)用。但是，實(shí)際上光照會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)處的產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子向N區(qū)移動(dòng)，空穴向P區(qū)移動(dòng)，形成了與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，相當(dāng)于給PN施加了方向偏置（非常?。豢杀苊獾臅?huì)產(chǎn)生暗電流。

光電導(dǎo)模式

光電導(dǎo)模式與光伏模式不同之處在于，探測(cè)器二極管不與運(yùn)算放大器的同相輸入端Vin+短接接地，而是施加一個(gè)小小為V的反向偏置電壓。運(yùn)算放大器的工作原理與光伏模式相同；不同之處在于，反向偏置電壓會(huì)減小探測(cè)器二極管的結(jié)電容，縮短響應(yīng)時(shí)間，因此，該模式適合于高速應(yīng)用。與光伏模式想比，其缺點(diǎn)在于線性度低、噪聲水平高（熱噪聲和散粒噪聲）和存在暗電流Id，但由于Id通常很小，通常在100多pA量級(jí)，可以近似認(rèn)為放大器的輸出電壓為Vout等于I與Rf的乘積。

然而，為了確?？缱璺糯笃鞯姆€(wěn)定性，在許多應(yīng)用中通常會(huì)給跨阻抗增益電阻器Rf有意并聯(lián)一個(gè)電容器。

在理想情況下，探測(cè)器二極管的光生電流應(yīng)全部流過(guò)跨阻抗增益電阻器Rf，即I=I1；然而實(shí)際情況，運(yùn)算放大器會(huì)以輸入偏置電流I2的形式“竊取”部分該電流，偏置電流I2會(huì)在輸出端生成一個(gè)誤差電壓并限制跨阻放大器的動(dòng)態(tài)范圍，而且跨阻抗增益電阻器Rf越大，該影響就越明顯。因此，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)選擇偏置電流足夠低的放大器（如LTC6268輸入偏置電流在室溫條件下典型值為±3fA、在125℃時(shí)的最大值為4pA）以實(shí)現(xiàn)所需的動(dòng)態(tài)范圍。