用于寬范圍光電二極管的跨阻抗放大器具有苛刻的要求

　　光電二極管廣泛見諸于眾多的應(yīng)用，其用于把光轉(zhuǎn)換為可在電子電路中使用的電流或電壓。從太陽能電池到光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、從高精度儀器到色層分析再到醫(yī)療成像等均在此類應(yīng)用之列。所有這些應(yīng)用都需要用于對光電二極管輸出進行緩沖和調(diào)節(jié)的電路。對于那些需要高速和高動態(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。在圖1中，反饋電容顯示為一個寄生電容。對于許多應(yīng)用來說，這是一個為確保穩(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)極上施加了一個偏置電壓。兩個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恒定的反向偏置電壓。可以把光電二極管看作是一個電流源 (與光強成比例)、一個電容器、一個大的電阻器和一個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變得越小。雖然這對速度有益，但在實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，并通過跨阻抗增益電阻器 (這里也稱為反饋電阻器，即 R_F) 轉(zhuǎn)換為一個電壓。理想的情況是，該電流全部流過 R_F (即：I_FB = I_PD)，然而實際上，放大器會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)生一個誤差電壓并限制了動態(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) 的放大器以實現(xiàn)所需的動態(tài)范圍和總體準(zhǔn)確度，這一點很重要。

　　另一個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(dāng)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(dǎo)致無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 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 pA 或更低。但是，輸入 ESD 保護二極管在變熱時會發(fā)生泄漏，從而造成輸入電流隨溫度呈指數(shù)性上升。一個在室溫下具有 pA 級偏置電流的運放在 125℃時輸入電流達到 nA 級的情況并不少見。本文稍后將介紹一款通過 ESD 二極管的自舉來解決該問題的運放。另一種可選方案是使用一個分立的 FET 在放大器輸入端上對光電二極管進行緩沖，但這需要一個額外的組件 (相應(yīng)地需要占用電路板空間)，而且具有相對較高的輸入電容。

　　由于動態(tài)范圍是最大輸出信號與噪聲之比，因此應(yīng)選擇具有足夠低噪聲的運放，這一點很重要。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(shù)值。輸入電容 C_IN (見圖 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(xiàn)為一個輸出電壓誤差。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(dǎo)地位。想找到一款兼具低電流噪聲和低電壓噪聲的運放會是一件十分棘手的事。