什么是跨阻放大器：工作及其应用特性介绍

跨阻放大器是一种电流电压转换器，设计有一个有源元件，如运算放大器，可将输入电流变为成比例的输出电压。也可以使用有源元件（如 IGBT、BJT、MOSFET等）设计有源电流电压转换器。但是，最常用的电流电压转换器是被称为“跨阻放大器”的 TIA。因此，本文讨论了跨阻放大器或 TIA及其应用的概述。

跨阻放大器的定义

用于通过使用单个或多个运算放大器将电流变为电压的转换器称为跨阻放大器或 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。这些转换器使用的传感器包括与电压响应相比更线性的电流响应。

简单的跨阻放大电路主要包括一个像Rf这样的大值反馈电阻。该 Rf电阻器用于设置跨阻放大器的增益，因为放大器以反相配置连接。

有不同的跨阻放大器配置可用，其中每种配置都用于特定应用，但所有配置都有一个共同因素，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因需要不同跨阻放大器配置的不同类型传感器而改变。

跨阻放大器电路和工作
跨阻放大器电路是一个非常简单的反相放大器，包括负反馈。像“R1”这样的反馈电阻连接到放大器的反相端子 (-)，如下图所示。

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) 应该流过 R1 电阻。此时运算放大器的输出电压可以通过以下跨阻放大器公式计算得出。

Vout = -Is * R1

上述输出公式在理想电路中将具有准确的值。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，从而使整个放大器电路不稳定。

为了克服这个问题，需要两个无源元件而不是电阻器和电容器之类的单个元件才能使跨阻电路正常工作。这两个组件简单地并联在同相端子和放大器的输出之间，如下所示。

在上述电路中，运算放大器再次使用电阻器和电容器作为反馈连接在负反馈中。

一旦像“Is”这样的电流流过跨阻放大器的反相引脚，那么电流就会像 Vout 一样转换成电压。该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“R1”，也与反馈电容“C1”的值有主要关系。这个放大电路的带宽主要取决于像 C1 这样的反馈电容的值，所以这个电容的值只会改变整个电路的带宽。

为了使电路在整个带宽内稳定工作，所需带宽的电容值可以计算为。

C1 ≤ 1 / 2π x R1 x fp

其中：

“R1”是反馈电阻

'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量，电路的噪声增益响应会产生不稳定性，并导致阶跃响应行为的过冲。

跨阻放大器电路配置的工作是将输入电流源变为输出电压。这里，电流到电压增益的流动主要取决于反馈电阻。因此，当输入电流发生变化时，该放大器电路能够在输入源两端保持稳定的偏置电压。

设计跨阻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 DC 误差。

向运算放大器的非反相端提供偏置电压，以设置输入电流的 o/p 电压。
工作在线性输出电压摆幅以减少非线性误差。

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 & Vee = -15V

将这些值代入上述等式

R1 = 5V-0V/50uA-0uA = 100 千欧

第二步是计算反馈电容。选择反馈电容以满足电路的带宽。

C1 ≤ 1 / 2π x R1 x fp ≤ 1 / 2π x 100 kΩ x 10kHz ≤ 150pF

计算放大器电路所需的运算放大器 GBW（增益带宽）保持不变。

GBW > Ci+C1/2π x R1 x C1^2

Ci = Cs+Cd+Ccm = 0pF+3pF+3pF = 6pF

GBW > 6pF+150pF/2π x 100 kΩ x (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。

跨阻放大器的优点和缺点

电路设计简单，有运算放大器、电阻等。
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，即使具有极高的增益。
一个电容器与反馈电阻并联，以确保基于光电二极管的应用的稳定性。
这些放大器在有源和无源 I 至 V 转换器中运行，因此无源 I 至 V 转换器使用无源元件，而有源 I 至 V 转换器使用有源元件。但最常见的是，在跨阻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，设计稳定性是跨阻电路中最关键的因素。所以电路设计者在选择合适的放大器时应该非常小心。
应用

跨阻放大器的应用

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提供简单的线性信号处理以消耗电流。
用于光学设备、低功耗模拟传感器、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。
有不同类型的 TIA 配置，其中每种配置都用于特定应用。