光电探测-IV转换电路也称为TIA跨阻放大器-笔记

传统大电阻测电压方法的缺点

1. 电流源内阻分流问题

   • 理想电流源的内阻 $R$ 为无穷大，实际电流源的内阻 $R$ 是有限的。根据并联分流原理，内阻会分流部分电流 $I_r=I\cdot \frac{R_L}{R_L+R}$。
   • 内阻越小，分流越大，导致实际测量到的电流 $I_2$ 小于真实值 $I$，引入误差。
   • 反馈电阻 $R_L$ 越小，内阻分流越小，但根据欧姆定律 $V=I\cdot R_L$，输出电压 $V$ 会显著降低，难以检测微弱信号。

2. 输出电压过小

   • 为减少内阻分流的影响，需选择较小的 $R_L$，但此时输出电压 $V$ 过小，信噪比下降，测量精度降低。

3. 对电流源的依赖性

   • 该方法直接依赖电流源的内阻特性，无法独立于电流源参数进行测量，适用性受限。

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TIA跨阻放大器的优势与可行性

TIA（跨阻放大器）通过运放的 虚短 和 虚断 原理，解决了上述问题，成为测量微小电流的可靠方案。

核心原理

1. 虚短与虚断特性

   • 虚短：运放同相端（ $V_p$）和反相端（$V_n$）电位相等，即 $V_p=V_n\approx 0\text{V}$（虚地）。
   • 虚断：运放输入端无电流流入，即 $I_p=I_n=0$。

2. 电流路径与输出电压关系

   • 输入电流 $I$ 全部流经反馈电阻 $R_f$，即 $I_f=I$。
   • 输出电压 $V_o$ 由欧姆定律给出：
     $$V_o=-I\cdot R_f$$
     （负号表示反相输出）。

解决传统方法的缺点

1. 消除内阻分流影响

   • 由于虚断特性，电流源内阻 $R$ 的分流电流为零（$I_r=0$），输入电流 $I$ 完全通过反馈电阻 $R_f$。
   • 示例：若 $R_f=1\text{M}\Omega$，$I=1\mu \text{A}$，则 $V_o=-1\text{V}$，输出电压足够大且不受内阻影响。

2. 高增益与低噪声

   • TIA通过调整反馈电阻 $R_f$ 可灵活控制增益（$V_o/I$）。
   • 现代运放具有低噪声特性，适合微弱电流信号的测量。

3. 独立于电流源参数

   • TIA的测量结果仅依赖于反馈电阻 $R_f$，与电流源内阻无关，适用性更广。

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实际应用中的注意事项

1. 反馈电阻选择

   • 增益与带宽权衡：增大 $R_f$ 可提高增益，但会降低带宽（因寄生电容与 $R_f$ 形成低通滤波效应）。
   • 噪声优化：选择低噪声运放，并合理设计反馈电阻值以平衡增益与热噪声。

2. 稳定性与补偿

   • 在高频应用中，需添加反馈电容 $C_f$ 以抑制高频振荡（通过引入极点补偿）。
   • 寄生电容（如光电二极管的结电容）可能影响稳定性，需通过仿真或实验优化参数。

3. 单电源供电设计

   • 使用轨到轨运放（如 TLV272、OPA344），并为输入端提供偏置电压（如 $V_{cc}/2$），确保运放工作在线性区。

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总结

• 传统大电阻方法：受电流源内阻限制，输出电压过小，误差大，不适用于微小电流测量。
• TIA跨阻放大器：利用运放的虚短和虚断特性，消除内阻分流影响，实现高精度、高增益的电流-电压转换。
• 实际应用：需合理选择反馈电阻、运放型号，并优化稳定性与噪声性能。

通过TIA的设计，可以高效解决微小电流测量中的核心问题，广泛应用于光电探测、传感器信号调理等领域。