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 (I_PD) 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 R_F) 转换为一个电压。理想的情况是，该电流全部流过 R_F (即：I_FB = I_PD)，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 R_F 和 C_IN 的数值。输入电容 C_IN (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 R_F 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 R_F 值，电流噪声 (i_n) 变得更具支配作用，而对于采用高 CIN 的电路，电压噪声 (e_n) 居主导地位。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。