用于寬范圍光電二極管的跨阻抗放大器具有苛刻的要求

　　光電二極管廣泛見諸于眾多的應(yīng)用，其用于把光轉(zhuǎn)換為可在電子電路中使用的電流或電壓。從太陽能電池到光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、從高精度儀器到色層分析再到醫(yī)療成像等均在此類應(yīng)用之列。所有這些應(yīng)用都需要用于對(duì)光電二極管輸出進(jìn)行緩沖和調(diào)節(jié)的電路。對(duì)于那些需要高速和高動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，通常采用如圖 1 所示的跨阻抗放大器 (TIA) 電路。在圖1中，反饋電容顯示為一個(gè)寄生電容。對(duì)于許多應(yīng)用來說，這是一個(gè)為確保穩(wěn)定性而有意布設(shè)的電容器。

　　該電路讓光電二極管處于“光電導(dǎo)模式”，并在其負(fù)極上施加了一個(gè)偏置電壓。兩個(gè)運(yùn)放輸入之間的虛擬連接把正極保持在地電位，從而在該光電二極管的兩端施加了一個(gè)恒定的反向偏置電壓?？梢园压怆姸O管看作是一個(gè)電流源 (與光強(qiáng)成比例)、一個(gè)電容器、一個(gè)大的電阻器和一個(gè)所謂暗電流的全并聯(lián)連接。二極管兩端的偏置電壓越大，光電二極管電容往往會(huì)變得越小。雖然這對(duì)速度有益，但在實(shí)際中則受限于光電二極管承受大反向電壓的能力。

　　由光電二極管產(chǎn)生的電流 (I_PD) 被 TIA 電路放大，并通過跨阻抗增益電阻器 (這里也稱為反饋電阻器，即 R_F) 轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓。理想的情況是，該電流全部流過 R_F (即：I_FB = I_PD)，然而實(shí)際上，放大器會(huì)以運(yùn)放輸入偏置電流的形式“竊取”部分電流。此偏置電流在輸出端上產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓并限制了動(dòng)態(tài)范圍。增益電阻器越大，這種影響就越厲害。應(yīng)選擇具有足夠低偏置電流 (以及輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓漂移) 的放大器以實(shí)現(xiàn)所需的動(dòng)態(tài)范圍和總體準(zhǔn)確度，這一點(diǎn)很重要。

　　另一個(gè)考慮因素是運(yùn)放輸入電流隨溫度變化的影響。采用雙極性輸入級(jí)的運(yùn)放具有相當(dāng)恒定的輸入電流。但是該電流即使在室溫條件下也非常高 (達(dá)到 nA 甚至 µA 級(jí))，因而導(dǎo)致無緩沖雙極放大器不適合很多高跨阻抗增益應(yīng)用。為此，相比于雙極放大器，人們通常優(yōu)先選擇具有一個(gè) FET 輸入級(jí)的運(yùn)放，因?yàn)樗鼈兲焐哂休^低的輸入電流，在室溫條件下常常為幾個(gè) pA 或更低。但是，輸入 ESD 保護(hù)二極管在變熱時(shí)會(huì)發(fā)生泄漏，從而造成輸入電流隨溫度呈指數(shù)性上升。一個(gè)在室溫下具有 pA 級(jí)偏置電流的運(yùn)放在 125℃時(shí)輸入電流達(dá)到 nA 級(jí)的情況并不少見。本文稍后將介紹一款通過 ESD 二極管的自舉來解決該問題的運(yùn)放。另一種可選方案是使用一個(gè)分立的 FET 在放大器輸入端上對(duì)光電二極管進(jìn)行緩沖，但這需要一個(gè)額外的組件 (相應(yīng)地需要占用電路板空間)，而且具有相對(duì)較高的輸入電容。

　　由于動(dòng)態(tài)范圍是最大輸出信號(hào)與噪聲之比，因此應(yīng)選擇具有足夠低噪聲的運(yùn)放，這一點(diǎn)很重要。運(yùn)放的電流噪聲和電壓噪聲均至關(guān)緊要，其影響程度的高低取決于 R_F 和 C_IN 的數(shù)值。輸入電容 C_IN (見圖 2) 是光電二極管電容、放大器輸入電容和電路板雜散電容的組合。在跨阻抗放大器電路中，電流噪聲與 R_F 相乘，從而使噪聲表現(xiàn)為一個(gè)輸出電壓誤差。另外，放大器的電壓噪聲與噪聲增益相乘。因此，對(duì)于較高的 R_F 值，電流噪聲 (i_n) 變得更具支配作用，而對(duì)于采用高 CIN 的電路，電壓噪聲 (e_n) 居主導(dǎo)地位。想找到一款兼具低電流噪聲和低電壓噪聲的運(yùn)放會(huì)是一件十分棘手的事。