跨阻放大器的光伏模式和光电导模式

  作者:fanxiaoxi 时间:2024-07-12

跨阻放大器(Trans-impedance amplifier,简称TIA),主要应用电流转电压的场合,常与光电二极管配合使用,来检测微弱的光电信号

为什么是跨阻放大器?

如果输入光的光功率在几百微瓦量级,假设光电探测器的响应度为0.8A/W,经光电转换后,光电流的大小只有几百微安(倘若考虑光到探测器之间其它的光路损耗,甚至可能仅有几十微安或更低)。普通运算放大器的噪声、失调电流电压等就可能将如此小的电流信号淹没掉了,这样放大的基本上都是噪声了。所以必须进行滤波和误差补偿,以确保被放大的信号包含较少的噪声,跨阻放大器就是起到了这个作用。

光电探测器与跨阻放大器结合可以分两种情况:光伏模式和光电导模式。

光伏模式

由于运放的同相输入端接地,Vin+和探测器二极管的正极都等于0V;由于虚短,运算放大器的同相输入端Vin+和反相输入端Vin-相等,因此,理论上探测器二极管两端的电压为0V。由于虚断,运放的同相输入端Vin+和反相输入端Vin-之间通过的电流为0A,那么探测器二极管的光生电流I完全流经Rf,那么此时放大器的输出电压为

Rf称为跨阻抗增益电阻器或反馈电阻器。

理论上,在零偏压下,二极管不会产生暗电流,此时线性度和灵敏度最高,噪声水平较低,该模式适合于高精度应用。但是,实际上光照会导致PN结处的产生电子—空穴对,在内建电场的作用下,电子向N区移动,空穴向P区移动,形成了与内建电场方向相反的光生电场,相当于给PN施加了方向偏置(非常小),不可避免的会产生暗电流。

光电导模式

光电导模式与光伏模式不同之处在于,探测器二极管不与运算放大器的同相输入端Vin+短接接地,而是施加一个小小为V的反向偏置电压。运算放大器的工作原理与光伏模式相同;不同之处在于,反向偏置电压会减小探测器二极管的结电容,缩短响应时间,因此,该模式适合于高速应用。与光伏模式想比,其缺点在于线性度低、噪声水平高(热噪声和散粒噪声)和存在暗电流Id,但由于Id通常很小,通常在100多pA量级,可以近似认为放大器的输出电压为Vout等于I与Rf的乘积。

然而,为了确保跨阻放大器的稳定性,在许多应用中通常会给跨阻抗增益电阻器Rf有意并联一个电容器

在理想情况下,探测器二极管的光生电流应全部流过跨阻抗增益电阻器Rf,即I=I1;然而实际情况,运算放大器会以输入偏置电流I2的形式“窃取”部分该电流,偏置电流I2会在输出端生成一个误差电压并限制跨阻放大器的动态范围,而且跨阻抗增益电阻器Rf越大,该影响就越明显。因此,在应用时应选择偏置电流足够低的放大器(如LTC6268输入偏置电流在室温条件下典型值为±3fA、在125℃时的最大值为4pA)以实现所需的动态范围。

关键词: 放大器 电阻器 运算放大器 光电二极管 光电探测器

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