用于寬范圍光電二極管的跨阻抗放大器具有苛刻的要求

　　光電二極管廣泛見(jiàn)諸于眾多的應用，其用于把光轉換為可在電子電路中使用的電流或電壓。從太陽(yáng)能電池到光數據網(wǎng)絡(luò )、從高精度儀器到色層分析再到醫療成像等均在此類(lèi)應用之列。所有這些應用都需要用于對光電二極管輸出進(jìn)行緩沖和調節的電路。對于那些需要高速和高動(dòng)態(tài)范圍的應用，通常采用如圖 1 所示的跨阻抗放大器 (TIA) 電路。在圖1中，反饋電容顯示為一個(gè)寄生電容。對于許多應用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)為確保穩定性而有意布設的電容器。

　　該電路讓光電二極管處于“光電導模式”，并在其負極上施加了一個(gè)偏置電壓。兩個(gè)運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。

　　由光電二極管產(chǎn)生的電流 (I_PD) 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 R_F) 轉換為一個(gè)電壓。理想的情況是，該電流全部流過(guò) R_F (即：I_FB = I_PD)，然而實(shí)際上，放大器會(huì )以運放輸入偏置電流的形式“竊取”部分電流。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。應選擇具有足夠低偏置電流 (以及輸入失調電壓和輸入失調電壓漂移) 的放大器以實(shí)現所需的動(dòng)態(tài)范圍和總體準確度，這一點(diǎn)很重要。

　　另一個(gè)考慮因素是運放輸入電流隨溫度變化的影響。采用雙極性輸入級的運放具有相當恒定的輸入電流。但是該電流即使在室溫條件下也非常高 (達到 nA 甚至 µA 級)，因而導致無(wú)緩沖雙極放大器不適合很多高跨阻抗增益應用。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 輸入級的運放，因為它們天生具有較低的輸入電流，在室溫條件下常常為幾個(gè) pA 或更低。但是，輸入 ESD 保護二極管在變熱時(shí)會(huì )發(fā)生泄漏，從而造成輸入電流隨溫度呈指數性上升。一個(gè)在室溫下具有 pA 級偏置電流的運放在 125℃時(shí)輸入電流達到 nA 級的情況并不少見(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光電二極管進(jìn)行緩沖，但這需要一個(gè)額外的組件 (相應地需要占用電路板空間)，而且具有相對較高的輸入電容。

　　由于動(dòng)態(tài)范圍是最大輸出信號與噪聲之比，因此應選擇具有足夠低噪聲的運放，這一點(diǎn)很重要。運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 R_F 和 C_IN 的數值。輸入電容 C_IN (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 R_F 相乘，從而使噪聲表現為一個(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，對于較高的 R_F 值，電流噪聲 (i_n) 變得更具支配作用，而對于采用高 CIN 的電路，電壓噪聲 (e_n) 居主導地位。想找到一款兼具低電流噪聲和低電壓噪聲的運放會(huì )是一件十分棘手的事。