互阻抗放大器簡(jiǎn)而言之是一個(gè)轉(zhuǎn)換器電路，它將輸入電流轉(zhuǎn)換為成比例的輸出電壓。我們知道，當(dāng)電流流過電阻器時(shí)，會(huì)在電阻器上產(chǎn)生電壓降，該電壓降與電流值和電阻器本身的值成正比。在這里，假設(shè)電阻值理想地恒定，我們可以輕松地使用歐姆定律根據(jù)電壓值計(jì)算電流值。這是最基本的電流電壓轉(zhuǎn)換器，由于我們使用電阻器(無源元件)來實(shí)現(xiàn)此目的，因此稱為無源電流電壓轉(zhuǎn)換器。

另一方面，跨阻抗放大器是一種 有源電流電壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗褂眠\(yùn)算放大器等有源組件將輸入電流轉(zhuǎn)換為成比例的輸出電壓。還可以使用其他有源組件(如 BJT、 IGBT、 MOSFET等)構(gòu)建有源I 至 V 轉(zhuǎn)換器。最常用的電流電壓轉(zhuǎn)換器是互阻抗放大器 (TIA)，因此在本文中我們將了解更多相關(guān)信息，如何在電路設(shè)計(jì)中使用它。

跨阻放大器的重要性

既然我們知道甚至可以使用電阻器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，為什么我們必須使用運(yùn)算放大器構(gòu)建有源電流電壓轉(zhuǎn)換器?與無源 V 至 I 轉(zhuǎn)換器相比，它有什么優(yōu)勢(shì)和重要性?

為了回答這個(gè)問題，我們假設(shè)一個(gè)光敏二極管(電流源)根據(jù)落在其上的光線在其端子上提供電流，并且在光電二極管兩端連接一個(gè)簡(jiǎn)單的低值電阻，以將輸出電流轉(zhuǎn)換為成比例的電壓，如圖所示下圖。

從理論上講，上述電路可能工作得很好，但在實(shí)踐中，性能會(huì)受到影響，因?yàn)楣怆姸O管還包含一些不需要的電容特性，稱為雜散電容。因此，對(duì)于較小值的檢測(cè)電阻，時(shí)間常數(shù) (t)(t = 檢測(cè)電阻 x 雜散電容)會(huì)很小，因此增益會(huì)很低。如果增加檢測(cè)電阻，則會(huì)發(fā)生完全相反的情況，增益會(huì)很高，時(shí)間常數(shù)也會(huì)高于小電阻值。這種增益不均勻會(huì)導(dǎo)致信噪比不足并且輸出電壓的靈活性受到限制。因此，為了解決增益不佳和噪聲相關(guān)的問題，通常首選跨阻放大器。除此之外，在跨阻放大器中，設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求配置電路的帶寬和增益響應(yīng)。

跨阻放大器的工作原理

跨阻放大器電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)反饋反相放大器。與放大器一起，單個(gè)反饋電阻器 (R1) 連接到放大器的反相端，如下所示。

我們知道，由于運(yùn)算放大器的高輸入阻抗，其輸入電流為零，因此來自電流源的電流必須完全通過電阻器 R1。我們將此電流視為 Is。此時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓(Vout)可以使用以下公式計(jì)算：

Vout = -Is x R1

該公式在理想電路中成立。但在實(shí)際電路中，運(yùn)算放大器將由一定值的輸入電容和輸入引腳上的雜散電容組成，這可能會(huì)導(dǎo)致輸出漂移和振鈴振蕩，從而使整個(gè)電路不穩(wěn)定。為了克服這個(gè)問題，跨阻電路的正常工作需要兩個(gè)無源元件，而不是單個(gè)無源元件。這兩個(gè)無源元件是之前的電阻器 (R1) 和附加電容器 (C1)。電阻器和電容器都并聯(lián)在放大器負(fù)輸入和輸出之間，如下所示。

這里運(yùn)算放大器再次通過電阻R1和電容C1連接成負(fù)反饋狀態(tài)作為反饋。施加到跨阻放大器反相引腳的電流 (Is) 將在輸出側(cè)轉(zhuǎn)換為等效電壓 Vout。輸入電流的值和電阻器 (R1) 的值可用于確定跨阻放大器的輸出電壓。

輸出電壓不僅取決于反饋電阻，還與反饋電容C1的值有關(guān)。電路帶寬取決于反饋電容值C1，因此該電容值可以改變整個(gè)電路的帶寬。為了電路在整個(gè)帶寬內(nèi)穩(wěn)定工作，所需帶寬的電容值計(jì)算公式如下所示

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf p

其中，R1 是反饋電阻，f p是所需的帶寬頻率。

在實(shí)際情況下，放大器的寄生電容和輸入電容對(duì)跨阻放大器的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。由于電路相移裕度，電路的噪聲增益響應(yīng)也會(huì)造成不穩(wěn)定，并導(dǎo)致過沖階躍響應(yīng)行為。

跨阻放大器的應(yīng)用

跨阻放大器是光傳感相關(guān)操作中最重要的電流信號(hào)測(cè)量工具。它廣泛應(yīng)用于化學(xué)工程、壓力傳感器、不同類型的加速度計(jì)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛汽車中使用的激光雷達(dá)技術(shù)。

跨阻電路最關(guān)鍵的部分是設(shè)計(jì)穩(wěn)定性。這是因?yàn)榧纳驮肼曄嚓P(guān)的問題。設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎選擇正確的放大器，并應(yīng)謹(jǐn)慎使用正確的 PCB 指南。

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