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可编程增益跨阻放大器使光谱系统的动态范围达到最大

简介

利用光电二极管或其他电流输出传感器测量物理性质的精密仪器系统，常常包括跨阻放大器（TIA）和可编程增益级以便最大程度地提高动态范围。本文通过实际例子说明实现单级可编程增益TIA以使噪声最低并保持高带宽和高精度的优势与挑战。

跨阻放大器是所有光线测量系统的基本构建模块。许多化学分析仪器，如紫外可见（UV-VIS）或傅里叶变换红外（FT-IR）光谱仪等，要依赖光电二极管来精确识别化学成分。这些系统必须能测量广泛的光强度范围。例如，UV-VIS光谱仪可测量不透明的样品（例如使用过的机油）或透明物质（例如乙醇）。另外，有些物质在某些波长具有很强的吸收带，而在其他波长则几乎透明。仪器设计工程师常常给信号路径增加多个可编程增益以提高动态范围。

光电二极管和光电二极管放大器

讨论光电二极管放大器之前，快速回顾一下光电二极管。当光线照射其PN结时，光电二极管会产生电压或电流。图1显示的是等效电路。该模型表示光谱仪所用的典型器件，包括一个光线相关的电流源，它与一个大分流电阻和一个分流电容并联，该电容的容值范围是50pF以下（用于小型器件）到5000pF以上（用于超大型器件）。

图1.光电二极管模型

图2显示了典型光电二极管的传递函数。该曲线看起来与普通二极管非常相似，但随着光电二极管接触到光线，整个曲线会上下移动。图2b是原点附近传递函数的特写，此处无光线存在。只要偏置电压非零，光电二极管的输出就不是零。此暗电流通常用10mV反向偏置来指定。虽然用大反向偏置操作光电二极管（光导模式）可使响应更快，但用零偏置操作光电二极管（光伏模式）可消除暗电流。实践中，即使在光伏模式下，暗电流也不会完全消失，因为放大器的输入失调电压会在光电二极管引脚上产生小误差。

图2.典型光电二极管传递函数

在光伏模式下操作光电二极管时，跨阻放大器（TIA）可使偏置电压接近0V，同时可将光电二极管电流转换为电压。图3所示为TIA的最基本形式。

图3.跨阻放大器

直流误差源

对于理想运算放大器，其反相输入端处于虚地，光电二极管所有电流流经反馈电阻Rf。Rf的一端处于虚地，因此输出电压等于Rf×Id。为使这种近似计算成立，运算放大器的输入偏置电流和输入失调电压必须很小。此外，小输入失调电压可以降低光电二极管的暗电流。一个很好的放大器选择是AD8615，室温下其最大漏电流为1pA，最大失调电压为100μV。本例中，我们选择Rf=1MΩ，以便在最大光输入条件下提供所需的输出电平。

不过，设计一个光电二极管放大器并不像为图3所示电路选择一个运算放大器那样简单。如果只是将Rf=1MΩ跨接在运算放大器的反馈路径上，光电二极管的分流电容会导致运算放大器振荡。为了说明这一点，表1显示了典型大面积光电二极管的Cs和Rsh。表2列出了AD8615的主要特性，其低输入偏置电流、低失调电压、低噪声和低电容特性使它非常适合精密光电二极管放大器应用。

图4.光电二极管放大器模型（a）和开环响应（b）