可編程增益跨阻放大器使光譜系統的動(dòng)態(tài)范圍達到最大

　　簡(jiǎn)介

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

　　跨阻放大器是所有光線(xiàn)測量系統的基本構建模塊。許多化學(xué)分析儀器，如紫外可見(jiàn)(UV-VIS)或傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜儀等，要依賴(lài)光電二極管來(lái)精確識別化學(xué)成分。這些系統必須能測量廣泛的光強度范圍。例如，UV-VIS光譜儀可測量不透明的樣品(例如使用過(guò)的機油)或透明物質(zhì)(例如乙醇)。另外，有些物質(zhì)在某些波長(cháng)具有很強的吸收帶，而在其他波長(cháng)則幾乎透明。儀器設計工程師常常給信號路徑增加多個(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。當光線(xiàn)照射其PN結時(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(xiàn)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2顯示了典型光電二極管的傳遞函數。該曲線(xiàn)看起來(lái)與普通二極管非常相似，但隨著(zhù)光電二極管接觸到光線(xiàn)，整個(gè)曲線(xiàn)會(huì )上下移動(dòng)。圖2b是原點(diǎn)附近傳遞函數的特寫(xiě)，此處無(wú)光線(xiàn)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(lái)指定。雖然用大反向偏置操作光電二極管(光導模式)可使響應更快，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，因為放大器的輸入失調電壓會(huì )在光電二極管引腳上產(chǎn)生小誤差。

　　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換為電壓。圖3所示為T(mén)IA的最基本形式。

　　直流誤差源

　　對于理想運算放大器，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。為使這種近似計算成立，運算放大器的輸入偏置電流和輸入失調電壓必須很小。此外，小輸入失調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(guò)，設計一個(gè)光電二極管放大器并不像為圖3所示電路選擇一個(gè)運算放大器那樣簡(jiǎn)單。如果只是將Rf = 1 MΩ 跨接在運算放大器的反饋路徑上，光電二極管的分流電容會(huì )導致運算放大器振蕩。為了說(shuō)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用。