跨阻放大器是一種電流電壓轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)有一個(gè)有源元件，如運(yùn)算放大器，可將輸入電流變?yōu)槌杀壤妮敵鲭妷?。也可以使用有源元件（?IGBT、BJT、MOSFET等）設(shè)計(jì)有源電流電壓轉(zhuǎn)換器。但是，最常用的電流電壓轉(zhuǎn)換器是被稱(chēng)為“跨阻放大器”的 TIA。因此，本文討論了跨阻放大器或 TIA及其應(yīng)用的概述。

跨阻放大器的定義

用于通過(guò)使用單個(gè)或多個(gè)運(yùn)算放大器將電流變?yōu)殡妷旱霓D(zhuǎn)換器稱(chēng)為跨阻放大器或 TIA。這些放大器主要用于將光電倍增管、蓋革-米勒管、光電探測(cè)器
的輸出電流改變?yōu)楣δ茈妷?。這些轉(zhuǎn)換器使用的傳感器包括與電壓響應(yīng)相比更線(xiàn)性的電流響應(yīng)。

簡(jiǎn)單的跨阻放大電路主要包括一個(gè)像Rf這樣的大值反饋電阻。該 Rf電阻器用于設(shè)置跨阻放大器的增益，因?yàn)榉糯笃饕苑聪嗯渲眠B接。

有不同的跨阻放大器配置可用，其中每種配置都用于特定應(yīng)用，但所有配置都有一個(gè)共同因素，它將傳感器的低電平電流轉(zhuǎn)換為電壓。帶寬、增益以及電壓和電流偏移將因需要不同跨阻放大器配置的不同類(lèi)型傳感器而改變。

跨阻放大器電路和工作
跨阻放大器電路是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的反相放大器，包括負(fù)反饋。像“R1”這樣的反饋電阻連接到放大器的反相端子 (-)，如下圖所示。

運(yùn)算放大器的輸入電流將為零，因?yàn)樗妮斎胱杩购芨?，因此?lái)自電流源的電流 (Is) 應(yīng)該流過(guò) R1 電阻。此時(shí)運(yùn)算放大器的輸出電壓可以通過(guò)以下跨阻放大器公式計(jì)算得出。

Vout = -Is * R1

上述輸出公式在理想電路中將具有準(zhǔn)確的值。然而，在實(shí)際電路中，放大器的輸入引腳上會(huì)有一些輸入和雜散電容值，這會(huì)導(dǎo)致振鈴振蕩和輸出漂移，從而使整個(gè)放大器電路不穩(wěn)定。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，需要兩個(gè)無(wú)源元件而不是電阻器和電容器之類(lèi)的單個(gè)元件才能使跨阻電路正常工作。這兩個(gè)組件簡(jiǎn)單地并聯(lián)在同相端子和放大器的輸出之間，如下所示。

在上述電路中，運(yùn)算放大器再次使用電阻器和電容器作為反饋連接在負(fù)反饋中。

一旦像“Is”這樣的電流流過(guò)跨阻放大器的反相引腳，那么電流就會(huì)像 Vout 一樣轉(zhuǎn)換成電壓。該放大器的輸出電壓可以通過(guò)電阻和輸入電流值來(lái)確定。

這里的輸出電壓取決于反饋電阻“R1”，也與反饋電容“C1”的值有主要關(guān)系。這個(gè)放大電路的帶寬主要取決于像 C1 這樣的反饋電容的值，所以這個(gè)電容的值只會(huì)改變整個(gè)電路的帶寬。

為了使電路在整個(gè)帶寬內(nèi)穩(wěn)定工作，所需帶寬的電容值可以計(jì)算為。

C1 ≤ 1 / 2π x R1 x fp

其中：

“R1”是反饋電阻

'fp' 是必要的帶寬頻率。

實(shí)際上，放大器的輸入電容和寄生電容都對(duì)放大器的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。由于放大器電路的相移裕量，電路的噪聲增益響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性，并導(dǎo)致階躍響應(yīng)行為的過(guò)沖。

跨阻放大器電路配置的工作是將輸入電流源變?yōu)檩敵鲭妷骸＿@里，電流到電壓增益的流動(dòng)主要取決于反饋電阻。因此，當(dāng)輸入電流發(fā)生變化時(shí)，該放大器電路能夠在輸入源兩端保持穩(wěn)定的偏置電壓。

設(shè)計(jì)跨阻放大器需要遵循以下步驟。

通過(guò)低偏置電流使用CMOS或 JFET 輸入運(yùn)算放大器來(lái)減少 DC 誤差。

向運(yùn)算放大器的非反相端提供偏置電壓，以設(shè)置輸入電流的 o/p 電壓。
工作在線(xiàn)性輸出電壓擺幅以減少非線(xiàn)性誤差。

設(shè)計(jì)步驟

第一個(gè)設(shè)計(jì)步驟是計(jì)算反饋電阻值“R1”。

R1 = VoMax-VoMin/IiMax-IiMin

輸入 Iimin = 0A，IiMax= 50uA

輸出 VoMin=0V,VoMax=5V

帶寬 fp = 10KHz

電源 Vcc = 15V & Vee = -15V

將這些值代入上述等式

R1 = 5V-0V/50uA-0uA = 100 千歐

第二步是計(jì)算反饋電容。選擇反饋電容以滿(mǎn)足電路的帶寬。

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

計(jì)算放大器電路所需的運(yùn)算放大器 GBW（增益帶寬）保持不變。

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：輸入源電容。

Cd：放大器的差分輸入電容。

Ccm：反相輸入的共模輸入電容。

跨阻放大器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有運(yùn)算放大器、電阻等。
與電阻器類(lèi)似，該放大器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，但與電阻器不同，它包括低輸入和輸出阻抗，即使具有極高的增益。
一個(gè)電容器與反饋電阻并聯(lián)，以確保基于光電二極管的應(yīng)用的穩(wěn)定性。
這些放大器在有源和無(wú)源 I 至 V 轉(zhuǎn)換器中運(yùn)行，因此無(wú)源 I 至 V 轉(zhuǎn)換器使用無(wú)源元件，而有源 I 至 V 轉(zhuǎn)換器使用有源元件。但最常見(jiàn)的是，在跨阻放大器中使用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn) I 到 V 的轉(zhuǎn)換。
由于噪聲相關(guān)和寄生問(wèn)題，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性是跨阻電路中最關(guān)鍵的因素。所以電路設(shè)計(jì)者在選擇合適的放大器時(shí)應(yīng)該非常小心。
應(yīng)用

跨阻放大器的應(yīng)用

跨阻放大器主要用于將壓力傳感器、光電二極管、加速度計(jì)的電流輸出處理為可用信號(hào)輸出的電壓。
跨阻放大器通過(guò)運(yùn)算放大器和電阻器提供簡(jiǎn)單的線(xiàn)性信號(hào)處理以消耗電流。
用于光學(xué)設(shè)備、低功耗模擬傳感器、射頻設(shè)備、蓋革-米勒管、其他類(lèi)型的傳感器、光電倍增管、光電探測(cè)器、加速度計(jì)
TIA 用于光通信的接收器。
有不同類(lèi)型的 TIA 配置，其中每種配置都用于特定應(yīng)用。