跨阻放大器是一种电流-电压转换器，其设计有像运算放大器这样的有源部件，以将输入电流改变为成比例的输出电压。设计具有IGBT、BJT、MOSFET等有源元件的有源电流-电压转换器也是可以实现的。但是，最常用的电流-电压变换器是TIA，它被称为“跨阻放大器”。因此，本文讨论了跨阻抗放大器或TIA使用应用程序。


跨阻抗放大器的定义

用于通过使用单个或多个运算放大器将电流转换为电压的转换器被称为跨阻抗放大器或TIA。这些放大器主要用于将光电倍增管、盖革-米勒管、光电探测器的输出电流改变为功能电压。这些转换器使用包括与电压响应相比更线性的电流响应的传感器。

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跨阻抗放大器

简单的跨阻抗放大器电路主要包括像Rf这样的具有大值的反馈电阻器。该Rf电阻器用于设置跨阻抗放大器的增益，因为放大器以反相配置连接。

有不同的跨阻放大器配置可供选择，其中每种配置都用于特定的应用，但在所有配置中有一个共同因素，即它将传感器的低电平电流转换为电压。带宽、增益以及电压和电流偏移将通过需要不同跨阻放大器配置的不同类型的传感器而改变。

跨阻放大器电路与工作

跨阻放大器电路是一种非常简单的反相放大器，包括负反馈。像“R1”这样的反馈电阻器连接到放大器的反相端子（-），如下图所示。

Transimpedance Amplifier
跨阻抗放大器

运算放大器的输入电流将为零，因为它的输入阻抗很高，因此来自电流源的电流（Is）应通过R1电阻器。此时运算放大器的输出电压可以通过使用以下跨阻放大器公式来计算。

Vout=-Is*R1

在理想电路中，上述输出公式将具有精确的值。然而，在实际电路中，放大器的输入引脚上会有一些输入和杂散电容值，这会导致振铃振荡和输出漂移，使整个放大器电路不稳定。

为了解决这个问题，需要两个无源元件，而不是像电阻器和电容器这样的单个元件，才能使跨阻电路正常工作。这两个部件简单地并联连接在非反相端子和放大器的输出之间，如下所示。

Transimpedance Amplifier Circuit
跨阻抗放大器电路

在上述电路中，运算放大器再次以负反馈方式连接，使用电阻器和电容器作为反馈。

一旦像“Is”这样的电流流被施加到跨阻抗放大器的反相引脚，那么电流将被转换为像Vout这样的电压。这个放大器的输出电压可以通过电阻和输入电流值来确定。

这里的输出电压取决于反馈电阻器‘R1’，并且与反馈电容器‘C1’的值也有主要关系。这个放大器电路的带宽主要取决于反馈电容器（如C1）的值，因此这个电容器的值只是改变了整个电路的带宽。

对于电路在整个带宽中的稳定操作，所需带宽的电容器值可以计算为。

C1≤1/2πx R1 x fp

哪里

“R1”是反馈电阻器

“fp”是必要的带宽频率。

实际上，放大器的输入电容和寄生电容都对放大器的稳定性起着至关重要的作用。由于放大器电路的相移裕度，电路的噪声增益响应将产生不稳定性，并导致阶跃响应行为中的过冲。

跨阻抗放大器电路配置的工作是将输入电流源改变为输出电压。这里，电流对电压增益的流动主要取决于反馈电阻。因此，当输入电流改变时，该放大器电路能够在输入源两端保持稳定的偏置电压。

跨阻抗放大器设计

设计跨阻抗放大器需要遵循以下步骤。

  • 通过低偏置电流使用CMOS或JFET输入运算放大器来减少直流误差。
  • 向运算放大器的非反相端子提供偏置电压，以设置输入电流的o/p电压。
  • 在线性输出电压摆动中操作，以减少非线性误差。
Transimpedance Amplifier Design
跨阻抗放大器设计

设计步骤

第一个设计步骤是计算反馈电阻值“R1”。

R1=VoMax VoMin/IiMax IiMin

输入Iimin=0A，IiMax=50uA

输出VoMin=0V，VoMax=5V

带宽fp=10KHz

电源Vcc=15V和Vee=-15V

将这些值代入上述方程式

R1=5V-0V/50uA-0uA=100千欧姆

第二步是计算反馈电容器。选择反馈电容器以满足电路的带宽。

C1≤1/2πx R1 x fp≤1/2π×100 kΩx 10kHz≤150pF

计算放大器电路保持恒定所需的运算放大器GBW（增益带宽）。

GBW>Ci+C1/2πx R1 x C1^2

Ci=Cs+Cd+Ccm=0华氏度+3华氏度+三华氏度=6华氏度

GBW>6pF+150pF/2πx 100 kΩx（150pF）^2>11.03kHz

Cs：输入源电容。

Cd：放大器的差分输入电容。

Ccm：反相输入的共模输入电容。

优点和缺点

这个跨阻抗放大器的优点和缺点包括以下内容。

  • 电路设计简单，有运算放大器、电阻器等。
  • 与电阻器类似，该放大器将电流转换为电压，但与电阻器不同，它包括低输入和输出阻抗，即使增益极高。
  • 电容器与反馈电阻器并联，以确保基于光电二极管的应用中的稳定性。
  • 这些放大器在有源和无源I到V转换器中都工作，因此无源I到V转换器使用无源元件，而有源I到V变换器使用有源元件。但最常见的是，在跨阻抗放大器中使用运算放大器来实现I到V的转换。
  • 由于噪声相关和寄生问题，设计稳定性是跨阻抗电路中最关键的因素。因此，电路设计者在选择合适的放大器时应该非常小心。

应用

这个跨阻抗放大器的应用包括以下内容。

  • 跨阻放大器主要用于将压力传感器、光电二极管、加速度计的电流输出处理为类似可用信号输出的电压。
  • 跨阻放大器通过运算放大器和电阻器来耗散电流，从而提供简单的线性信号处理。
  • 它用于光学设备、低功率模拟传感器、射频设备、盖革-米勒管、其他类型的传感器、光电倍增管、光电探测器、加速度计
  • TIA用于光通信的接收器中。
  • 有不同类型的TIA配置，其中每种配置都用于特定的应用。

因此，这一切都是关于跨阻抗放大器的描述。一些重要的跨阻抗放大器规格主要包括线性范围、补偿、传输阻抗、参考RMS电流噪声和跨阻抗带宽。这里有一个问题要问你，什么是运算放大器？