跨阻放大器的光伏模式和光電導模式

跨阻放大器（Trans-impedance amplifier，簡稱TIA），主要應用電流轉(zhuǎn)電壓的場合，常與光電二極管配合使用，來檢測微弱的光電信號。

為什么是跨阻放大器？

如果輸入光的光功率在幾百微瓦量級，假設光電探測器的響應度為0.8A/W，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，光電流的大小只有幾百微安（倘若考慮光到探測器之間其它的光路損耗，甚至可能僅有幾十微安或更低）。普通運算放大器的噪聲、失調(diào)電流電壓等就可能將如此小的電流信號淹沒掉了，這樣放大的基本上都是噪聲了。所以必須進行濾波和誤差補償，以確保被放大的信號包含較少的噪聲，跨阻放大器就是起到了這個作用。

光電探測器與跨阻放大器結(jié)合可以分兩種情況：光伏模式和光電導模式。

光伏模式

由于運放的同相輸入端接地，Vin+和探測器二極管的正極都等于0V；由于虛短，運算放大器的同相輸入端Vin+和反相輸入端Vin-相等，因此，理論上探測器二極管兩端的電壓為0V。由于虛斷，運放的同相輸入端Vin+和反相輸入端Vin-之間通過的電流為0A，那么探測器二極管的光生電流I完全流經(jīng)Rf，那么此時放大器的輸出電壓為

Rf稱為跨阻抗增益電阻器或反饋電阻器。

理論上，在零偏壓下，二極管不會產(chǎn)生暗電流，此時線性度和靈敏度最高，噪聲水平較低，該模式適合于高精度應用。但是，實際上光照會導致PN結(jié)處的產(chǎn)生電子—空穴對，在內(nèi)建電場的作用下，電子向N區(qū)移動，空穴向P區(qū)移動，形成了與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，相當于給PN施加了方向偏置（非常小），不可避免的會產(chǎn)生暗電流。

光電導模式

光電導模式與光伏模式不同之處在于，探測器二極管不與運算放大器的同相輸入端Vin+短接接地，而是施加一個小小為V的反向偏置電壓。運算放大器的工作原理與光伏模式相同；不同之處在于，反向偏置電壓會減小探測器二極管的結(jié)電容，縮短響應時間，因此，該模式適合于高速應用。與光伏模式想比，其缺點在于線性度低、噪聲水平高（熱噪聲和散粒噪聲）和存在暗電流Id，但由于Id通常很小，通常在100多pA量級，可以近似認為放大器的輸出電壓為Vout等于I與Rf的乘積。

然而，為了確?？缱璺糯笃鞯姆€(wěn)定性，在許多應用中通常會給跨阻抗增益電阻器Rf有意并聯(lián)一個電容器。

在理想情況下，探測器二極管的光生電流應全部流過跨阻抗增益電阻器Rf，即I=I1；然而實際情況，運算放大器會以輸入偏置電流I2的形式“竊取”部分該電流，偏置電流I2會在輸出端生成一個誤差電壓并限制跨阻放大器的動態(tài)范圍，而且跨阻抗增益電阻器Rf越大，該影響就越明顯。因此，在應用時應選擇偏置電流足夠低的放大器（如LTC6268輸入偏置電流在室溫條件下典型值為±3fA、在125℃時的最大值為4pA）以實現(xiàn)所需的動態(tài)范圍。