用于宽范围光电二极管的跨阻抗放大器具有苛刻的要求

用于宽范围光电二极管的跨阻抗放大器具有苛刻的要求

光电二极管广泛见诸于众多的应用，其用于把光转换为可在电子电路中使用的电流或电压。从太阳能电池到光数据网络、从高精度仪器到色层分析再到医疗成像等均在此类应用之列。所有这些应用都需要用于对光电二极管输出进行缓冲和调节的电路。对于那些需要高速和高动态范围的应用，通常采用如图1所示的跨阻抗放大器（TIA）电路。在图1中，反馈电容显示为一个寄生电容。对于许多应用来说，这是一个为确保稳定性而有意布设的电容器。

该电路让光电二极管处于“光电导模式”，并在其负极

上施加了一个偏置电压。两个运放输入之间的虚拟连接把正极保持在地电位，从而在该光电二极管的两端施加了一个恒定的反向偏置电压。可以把光电二极管看作是一个电流源（与光强成比例）、一个电容器、一个大的电阻器和一个所

谓暗电流的全并联连接。二极管两端的偏置电压越大，光电二极管电容往往会变得越小。虽然这对速度有益，但在实际中则受限于光电二极管承受大反向电压的能力。

由光电二极管产生的电流（IPD）被TIA电路放大，并通过跨阻抗增益电阻器（这里也称为反馈电阻器，即RF）转换为一个电压。理想的情况是，该电流全部流过RF（即：IFB=IPD），

然而实际上，放大器会以运放输入偏置电流的形式“窃取”部分电流。此偏置电流在输出端上产生一个误差电压并限制了动态范围。增益电阻器越大，这种影响就越厉害。应选择具有足够低偏置电流（以及输入失调电压和输入失调电压漂移）的放大器以实现所需的动态范围和总体准确度，这一点很重要。

另一个考虑因素是运放输入电流随温度变化的影响。采用双极性输入级的运放具有相当恒定的输入电流。但是该电流即使在室温条件下也非常高（达到nA甚至μA级），因而导致无缓冲双极放大器不适合很多高跨阻抗增益应用。为此，相比于双极放大器，人们通常优先选择具有一个FET输入级的运放，因为它们天生具有较低的输入电流，在室温条件下常常为几个pA或更低。但是，输入ESD保护二极管在变热

时会发生泄漏，从而造成输入电流随温度呈指数性上升。一个在室温下具有pA级偏置电流的运放在125℃时输入电流

达到nA级的情况并不少见。本文稍后将介绍一款通过ESD

二极管的自举来解决该问题的运放。另一种可选方案是使用一个分立的FET在放大器输入端上对光电二极管进行缓冲，但这需要一个额外的组件（相应地需要占用电路板空间），

而且具有相对较高的输入电容。

由于动态范围是最大输出信号与噪声之比，因此应选择具有足够低噪声的运放，这一点很重要。运放的电流噪声和

电压噪声均至关紧要，其影响程度的高低取决于RF和CIN

的数值。输入电容CIN（见图2）是光电二极管电容、放大器输入电容和电路板杂散电容的组合。在跨阻抗放大器电路中，电流噪声与RF相乘，从而使噪声表现为一个输出电压误差。另外，放大器的电压噪声与噪声增益相乘。因此，对于较高的RF值，电流噪声（in）变得更具支配作用，而对于采用高CIN的电路，电压噪声（en）届主导地位。想找到一款兼具

低电流噪声和低电压噪声的运放会是一件十分棘手的事。

此外，输入电容还限制了带宽。有关于此的一种思考方法是：把输入电容器的阻抗看作是传统负输出运放配置中的增益电阻器（RG）。该电容器越大，则阻抗越小，而且运放“承受”的有效增益（1+ RF/RG，常被称为噪声增益）越大。由于放大器的带宽与增益之间成反比关系（因增益带宽乘积的恒定特性之故），因此这意味着大的输入电容将限制电路

带宽。对此也可以从稳定性的角度来思考。运放输入端上的电容会在频域中产生一个极点，或在时域中产生一个延迟。通过增设一个（有意的，而不是寄生的）反馈电容器（CF），可对该极点进行补偿以使电路稳定。该电容越大，对电路带宽的限制也就越大。因此，应选择一个具有低输入电容的放大器，并谨慎地进行电路板的布局以消除杂散输入电容和反馈电容，这一点很重要。