可編程增益跨阻放大器使光譜系統的動態范圍達到最大（一）

簡介

　　利用光電二極管或其他電流輸出傳感器測量物理性質的精密儀器系統，常常包括跨阻放大器（TIA）和可編程增益級以便最大程度地提高動態范圍。本文通過實際例子說明實現單級可編程增益TIA以使噪聲最低并保持高帶寬和高精度的優勢與挑戰。

　　跨阻放大器是所有光線測量系統的基本構建模塊。許多化學分析儀器，如紫外可見（UV-VIS）或傅里葉變換紅外（FT- IR）光譜儀等，要依賴光電二極管來精確識別化學成分。這些系統必須能測量廣泛的光強度范圍。例如，UV-VIS光譜儀可測量不透明的樣品（例如使用過的機油）或透明物質（例如乙醇）。另外，有些物質在某些波長具有很強的吸收帶，而在其他波長則幾乎透明。儀器設計工程師常常給信號路徑增加多個可編程增益以提高動態范圍。

　　光電二極管和光電二極管放大器

　　討論光電二極管放大器之前，快速回顧一下光電二極管。當光線照射其PN結時，光電二極管會產生電壓或電流。圖1顯示的是等效電路。該模型表示光譜儀所用的典型器件，包括一個光線相關的電流源，它與一個大分流電阻和一個分流電容并聯，該電容的容值范圍是50 pF以下（用于小型器件）到5000 pF以上（用于超大型器件）。

　　圖1. 光電二極管模型

　　圖2顯示了典型光電二極管的傳遞函數。該曲線看起來與普通二極管非常相似，但隨著光電二極管接觸到光線，整個曲線會上下移動。圖2b是原點附近傳遞函數的特寫，此處無光線存在。只要偏置電壓非零，光電二極管的輸出就不是零。此暗電流通常用10 mV反向偏置來指定。雖然用大反向偏置操作光電二極管（光導模式）可使響應更快，但用零偏置操作光電二極管（光伏模式）可消除暗電流。實踐中，即使在光伏模式下，暗電流也不會完全消失，因為放大器的輸入失調電壓會在光電二極管引腳上產生小誤差。

　　圖2. 典型光電二極管傳遞函數

　　在光伏模式下操作光電二極管時，跨阻放大器（TIA）可使偏置電壓接近0 V，同時可將光電二極管電流轉換為電壓。圖3所示為TIA的最基本形式。

　　圖3. 跨阻放大器

　　直流誤差源

　　對于理想運算放大器，其反相輸入端處于虛地，光電二極管所有電流流經反饋電阻Rf。Rf 的一端處于虛地，因此輸出電壓等于 Rf × Id。為使這種近似計算成立，運算放大器的輸入偏置電流和輸入失調電壓必須很小。此外，小輸入失調電壓可以降低光電二極管的暗電流。一個很好的放大器選擇是AD8615，室溫下其最大漏電流為1 pA，最大失調電壓為100 μV。本例中，我們選擇Rf = 1 MΩ ，以便在最大光輸入條件下提供所需的輸出電平。

　　不過，設計一個光電二極管放大器并不像為圖3所示電路選擇一個運算放大器那樣簡單。如果只是將Rf = 1 MΩ 跨接在運算放大器的反饋路徑上，光電二極管的分流電