用于寬范圍光電二極管的跨阻抗放大器具有苛刻的要求

　　電二極管廣泛見(jiàn)諸于眾多的應(yīng)用，其用于把光轉(zhuǎn)換為隨后可在電子電路中使用的電流或電壓。此類(lèi)應(yīng)用從太陽(yáng)能電池到光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、從高精度儀器到色層分析再到醫(yī)療成像等均在其列。所有這些應(yīng)用都需要用于對(duì)光電二極管輸出進(jìn)行緩沖和調(diào)節(jié)的電路。對(duì)于那些需要高速和高動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，通常采用如圖1所示的跨阻抗放大器(TIA)電路。在該圖中，反饋電容顯示為一個(gè)寄生電容。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)為確保穩(wěn)定性而有意布設(shè)的電容器。

　　該電路讓光電二極管處于“光電導(dǎo)模式”，并在其負(fù)極上施加了一個(gè)偏置電壓。兩個(gè)運(yùn)放輸入之間的虛擬連接把正極保持在地電位，從而在該光電二極管的兩端施加了一個(gè)恒定的反向偏置電壓?？梢园压怆姸O管看作是一個(gè)電流源(與光強(qiáng)成比例)、一個(gè)電容器、一個(gè)大的電阻器和一個(gè)所謂暗電流的全并聯(lián)連接。二極管兩端的偏置電壓越大，光電二極管電容往往會(huì)變得越小。雖然這對(duì)速度有益，但在實(shí)際中則受限于光電二極管承受大反向電壓的能力。

　　圖1：跨阻抗放大器

　　由光電二極管產(chǎn)生的電流(IPD)被TIA電路放大，并通過(guò)跨阻抗增益電阻器(這里也稱(chēng)為反饋電阻器，即RF)轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓。理想的情況是，該電流全部流過(guò)RF (即：IFB = IPD)，然而實(shí)際上，放大器會(huì)以運(yùn)放輸入偏置電流的形式“竊取”部分該電流。此偏置電流在輸出端上產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓并限制了動(dòng)態(tài)范圍。增益電阻器越大，這種影響就越厲害。應(yīng)選擇具有足夠低偏置電流(以及輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓漂移)的放大器以實(shí)現(xiàn)所需的動(dòng)態(tài)范圍和總體準(zhǔn)確度，這一點(diǎn)是很重要。

　　另一個(gè)考慮因素是運(yùn)放輸入電流隨溫度變化的影響。采用雙極性輸入級(jí)的運(yùn)放具有相當(dāng)恒定的輸入電流。但是該電流即使在室溫條件下也是非常高(達(dá)到nA甚至μA級(jí))，因而導(dǎo)致無(wú)緩沖雙極放大器不適合很多高跨阻抗增益應(yīng)用。為此，相比于雙極放大器，人們通常優(yōu)先選擇具有一個(gè)FET輸入級(jí)的運(yùn)放，因?yàn)樗鼈兲焐哂休^低的輸入電流，在室溫條件下常常為個(gè)位數(shù)pA或更低。但是，輸入ESD保護(hù)二極管在變熱時(shí)會(huì)發(fā)生泄漏，從而造成輸入電流隨溫度呈指數(shù)性上升。一個(gè)在室溫下具有pA級(jí)偏置電流的運(yùn)放在125°C時(shí)輸入電流達(dá)到nA級(jí)的情況并不少見(jiàn)。本文稍后將介紹一款通過(guò)ESD二極管的自舉來(lái)解決該問(wèn)題的運(yùn)放。另一種可選方案是使用一個(gè)分立的FET在放大器輸入端上對(duì)光電二極管進(jìn)行緩沖，但這需要一個(gè)額外的組件(相應(yīng)地占用電路板空間)，而且具有相對(duì)較高的輸入電容。

　　由于動(dòng)態(tài)范圍是最大輸出信號(hào)與噪聲之比，因此應(yīng)選擇具有足夠低噪聲的運(yùn)放，這一點(diǎn)很重要。運(yùn)放的電流噪聲和電壓噪聲均至關(guān)緊要，其影響程度的高低取決于RF和CIN的數(shù)值。輸入電容CIN (見(jiàn)圖2)是光電二極管電容、放大器輸入電容和電路板雜散電容的組合。在跨阻抗放大器電路中，電流噪聲與RF相乘，因而使噪聲表現(xiàn)為一個(gè)輸出電壓誤差。另外，放大器的電壓噪聲與噪聲增益相乘。因此，對(duì)于較高的RF值，電流噪聲(in)變得更具支配作用，而對(duì)于采用高CIN的電路，則電壓噪聲(en)居主導(dǎo)地位。想找到一款兼具低電流噪聲和低電壓噪聲的運(yùn)放會(huì)是一件十分棘手的事。

　　圖2：輸入電容包括傳感器、電路板和放大器電容