什么是跨阻放大器：工作及其應用特性介紹

跨阻放大器是一種電流電壓轉換器，設計有一個有源元件，如運算放大器，可將輸入電流變為成比例的輸出電壓。也可以使用有源元件（如 IGBT、BJT、MOSFET等）設計有源電流電壓轉換器。但是，最常用的電流電壓轉換器是被稱為“跨阻放大器”的 TIA。因此，本文討論了跨阻放大器或 TIA及其應用的概述。

跨阻放大器的定義

用于通過使用單個或多個運算放大器將電流變為電壓的轉換器稱為跨阻放大器或 TIA。這些放大器主要用于將光電倍增管、蓋革-米勒管、光電探測器
的輸出電流改變為功能電壓。這些轉換器使用的傳感器包括與電壓響應相比更線性的電流響應。

簡單的跨阻放大電路主要包括一個像Rf這樣的大值反饋電阻。該 Rf電阻器用于設置跨阻放大器的增益，因為放大器以反相配置連接。

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用，但所有配置都有一個共同因素，它將傳感器的低電平電流轉換為電壓。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非常簡單的反相放大器，包括負反饋。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。

運算放大器的輸入電流將為零，因為它的輸入阻抗很高，因此來自電流源的電流 (Is) 應該流過 R1 電阻。此時運算放大器的輸出電壓可以通過以下跨阻放大器公式計算得出。

Vout = -Is * R1

上述輸出公式在理想電路中將具有準確的值。然而，在實際電路中，放大器的輸入引腳上會有一些輸入和雜散電容值，這會導致振鈴振蕩和輸出漂移，從而使整個放大器電路不穩定。

為了克服這個問題，需要兩個無源元件而不是電阻器和電容器之類的單個元件才能使跨阻電路正常工作。這兩個組件簡單地并聯在同相端子和放大器的輸出之間，如下所示。

在上述電路中，運算放大器再次使用電阻器和電容器作為反饋連接在負反饋中。

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

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

為了使電路在整個帶寬內穩定工作，所需帶寬的電容值可以計算為。

C1 ≤ 1 / 2π x R1 x fp

其中：

“R1”是反饋電阻

'fp' 是必要的帶寬頻率。

實際上，放大器的輸入電容和寄生電容都對放大器的穩定性起著至關重要的作用。由于放大器電路的相移裕量，電路的噪聲增益響應會產生不穩定性，并導致階躍響應行為的過沖。

跨阻放大器電路配置的工作是將輸入電流源變為輸出電壓。這里，電流到電壓增益的流動主要取決于反饋電阻。因此，當輸入電流發生變化時，該放大器電路能夠在輸入源兩端保持穩定的偏置電壓。

設計跨阻放大器需要遵循以下步驟。

通過低偏置電流使用CMOS或 JFET 輸入運算放大器來減少 DC 誤差。

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

設計步驟

第一個設計步驟是計算反饋電阻值“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

第二步是計算反饋電容。選擇反饋電容以滿足電路的帶寬。

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

計算放大器電路所需的運算放大器 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。

跨阻放大器的優點和缺點

電路設計簡單，有運算放大器、電阻等。
與電阻器類似，該放大器將電流轉換為電壓，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。
一個電容器與反饋電阻并聯，以確?；诠怆姸O管的應用的穩定性。
這些放大器在有源和無源 I 至 V 轉換器中運行，因此無源 I 至 V 轉換器使用無源元件，而有源 I 至 V 轉換器使用有源元件。但最常見的是，在跨阻放大器中使用運算放大器來實現 I 到 V 的轉換。
由于噪聲相關和寄生問題，設計穩定性是跨阻電路中最關鍵的因素。所以電路設計者在選擇合適的放大器時應該非常小心。
應用

跨阻放大器的應用

跨阻放大器主要用于將壓力傳感器、光電二極管、加速度計的電流輸出處理為可用信號輸出的電壓。
跨阻放大器通過運算放大器和電阻器提供簡單的線性信號處理以消耗電流。
用于光學設備、低功耗模擬傳感器、射頻設備、蓋革-米勒管、其他類型的傳感器、光電倍增管、光電探測器、加速度計
TIA 用于光通信的接收器。
有不同類型的 TIA 配置，其中每種配置都用于特定應用。