【導(dǎo)讀】很多應(yīng)用中都有二極管，電二極管將光轉(zhuǎn)化為電流或電壓，但是一些需要高動(dòng)態(tài)和高速的應(yīng)用，則需要跨阻抗放大器?？缱杩狗糯笃鞅挥糜趯挿秶?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >光電二極管，要求極為苛刻。
對(duì)于那些需要高速和高動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，通常采用如圖1所示的跨阻抗放大器（TIA）電路。在該圖中，反饋電容顯示為一個(gè)寄生電容。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)為確保穩(wěn)定性而有意布設(shè)的電容器。
該電路讓光電二極管處于“光電導(dǎo)模式”，并在其負(fù)極上施加了一個(gè)偏置電壓。兩個(gè)運(yùn)放輸入之間的虛擬連接把正極保持在地電位，從而在該光電二極管的兩端施加了一個(gè)恒定的反向偏置電壓?？梢园压怆姸O管看作是一個(gè)電流源（與光強(qiáng)成比例）、一個(gè)電容器、一個(gè)大的電阻器和一個(gè)所謂暗電流的全并聯(lián)連接。二極管兩端的偏置電壓越大，光電二極管電容往往會(huì)變得越小。雖然這對(duì)速度有益，但在實(shí)際中則受限于光電二極管承受大反向電壓的能力。
圖1：跨阻抗放大器
由光電二極管產(chǎn)生的電流（IPD）被TIA電路放大，并通過(guò)跨阻抗增益電阻器（這里也稱(chēng)為反饋電阻器，即RF）轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓。理想的情況是，該電流全部流過(guò)RF （即：IFB = IPD），然而實(shí)際上，放大器會(huì)以運(yùn)放輸入偏置電流的形式“竊取”部分該電流。此偏置電流在輸出端上產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓并限制了動(dòng)態(tài)范圍。增益電阻器越大，這種影響就越厲害。應(yīng)選擇具有足夠低偏置電流（以及輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓漂移）的放大器以實(shí)現(xiàn)所需的動(dòng)態(tài)范圍和總體準(zhǔn)確度，這一點(diǎn)是很重要。
另一個(gè)考慮因素是運(yùn)放輸入電流隨溫度變化的影響。采用雙極性輸入級(jí)的運(yùn)放具有相當(dāng)恒定的輸入電流。但是該電流即使在室溫條件下也是非常高（達(dá)到nA甚至μA級(jí)），因而導(dǎo)致無(wú)緩沖雙極放大器不適合很多高跨阻抗增益應(yīng)用。為此，相比于雙極放大器，人們通常優(yōu)先選擇具有一個(gè)FET輸入級(jí)的運(yùn)放，因?yàn)樗鼈兲焐哂休^低的輸入電流，在室溫條件下常常為個(gè)位數(shù)pA或更低。
但是，輸入ESD保護(hù)二極管在變熱時(shí)會(huì)發(fā)生泄漏，從而造成輸入電流隨溫度呈指數(shù)性上升。一個(gè)在室溫下具有pA級(jí)偏置電流的運(yùn)放在125°C時(shí)輸入電流達(dá)到nA級(jí)的情況并不少見(jiàn)。本文稍后將介紹一款通過(guò)ESD二極管的自舉來(lái)解決該問(wèn)題的運(yùn)放。另一種可選方案是使用一個(gè)分立的FET在放大器輸入端上對(duì)光電二極管進(jìn)行緩沖，但這需要一個(gè)額外的組件（相應(yīng)地占用電路板空間），而且具有相對(duì)較高的輸入電容。
由于動(dòng)態(tài)范圍是最大輸出信號(hào)與噪聲之比，因此應(yīng)選擇具有足夠低噪聲的運(yùn)放，這一點(diǎn)很重要。運(yùn)放的電流噪聲和電壓噪聲均至關(guān)緊要，其影響程度的高低取決于RF和CIN的數(shù)值。輸入電容CIN （見(jiàn)圖2）是光電二極管電容、放大器輸入電容和電路板雜散電容的組合。在跨阻抗放大器電路中，電流噪聲與RF相乘，因而使噪聲表現(xiàn)為一個(gè)輸出電壓誤差。另外，放大器的電壓噪聲與噪聲增益相乘。因此，對(duì)于較高的RF值，電流噪聲（in）變得更具支配作用，而對(duì)于采用高CIN的電路，則電壓噪聲（en）居主導(dǎo)地位。想找到一款兼具低電流噪聲和低電壓噪聲的運(yùn)放會(huì)是一件十分棘手的事。
圖2：輸入電容包括傳感器、電路板和放大器電容
此外，輸入電容還限制了帶寬。有關(guān)于此的一種思考方法是：把輸入電容器的阻抗看作是傳統(tǒng)負(fù)輸出運(yùn)放配置中的增益電阻器（RG）。該電容器越大，則阻抗越小，而且運(yùn)放“承受”的有效增益（1 + RF/RG，常被稱(chēng)為噪聲增益）越大。由于放大器的帶寬與增益之間成反比關(guān)系（因增益帶寬乘積的恒定特性之故），因此這意味著大的輸入電容將限制電路帶寬。對(duì)此也可以從穩(wěn)定性的角度來(lái)思考。運(yùn)放輸入端上的電容會(huì)在頻域中產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，或在時(shí)域中產(chǎn)生一個(gè)延遲。
通過(guò)增設(shè)一個(gè)（有意的，而不是寄生的）反饋電容器（CF），可對(duì)該極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償以使電路穩(wěn)定。該電容越大，對(duì)電路帶寬的限制也就越大。因此，應(yīng)選擇一個(gè)具有低輸入電容的放大器，并謹(jǐn)慎地進(jìn)行電路板的布局以消除雜散輸入電容和反饋電容，這一點(diǎn)很重要。請(qǐng)參見(jiàn)LTC6268產(chǎn)品手冊(cè)的第14頁(yè)和第15頁(yè)，以了解一些用于減小雜散反饋電容的實(shí)用主意，這些舉措在實(shí)踐中可使電路帶寬改善4倍以上。
具有fA級(jí)偏置電流的新型運(yùn)放LTC6268是針對(duì)本文所述的高速、高動(dòng)態(tài)范圍光電二極管電路所需之性能而優(yōu)化的放大器范例。其利用片內(nèi)ESD保護(hù)二極管的自舉實(shí)現(xiàn)了極低的輸入電流。通過(guò)創(chuàng)建輸入電壓的一個(gè)緩沖“副本”并將之饋入分離的ESD二極管，可在正常操作期間將二極管電壓和電流保持在極低的水平。結(jié)果是：在85°C和125°C溫度條件下分別提供了0.9pA和4pA的保證最大輸入電流。典型輸入電流性能示于圖3.雖然該電流仍然隨溫度的升高而增大，但是與其他放大器相比其增幅低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
LTC6268提供了500MHz增益帶寬，從而實(shí)現(xiàn)了LTC6268產(chǎn)品手冊(cè)中所示的單級(jí)電路（從20kΩ跨阻抗增益和65MHz帶寬至499kΩ跨阻抗增益和11.2MHz帶寬）。由于只采用了0.45pF輸入電容，因此在總的電路電容中LTC6268只占了很小的一部分，因而保持了高帶寬。LTC6268的輸入?yún)⒖茧妷汉碗娏髟肼暦謩e為4.3nV/√Hz （在1MHz）和5.5fA/√Hz （在100kHz）。而且，LTC6268的寬帶寬、低失真和高擺率使其適合于高速數(shù)字化應(yīng)用。
圖3：LTC6268的輸入偏置電流在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持低水平
盡管市面上銷(xiāo)售的運(yùn)放數(shù)以百計(jì)（假如不是數(shù)以千計(jì)的話），然而要找到一款用于高速、高動(dòng)態(tài)范圍光電二極管電路的合適跨阻抗放大器卻是非常具挑戰(zhàn)性。每個(gè)電路都有其一組獨(dú)特的性能特征要求，包括極低的輸入偏置電流和輸入電流溫度漂移、高速度（例如：增益帶寬乘積和擺率）、低電壓和電流噪聲的正確平衡、以及低輸入電容。另外，還應(yīng)特別謹(jǐn)慎地對(duì)待電路板布局，以最大限度地減小將會(huì)對(duì)電路的準(zhǔn)確度和速度產(chǎn)生限制的漏電流和雜散電容。LTC6268代表了一種針對(duì)高性能TIA應(yīng)用而優(yōu)化的新型運(yùn)放。
相關(guān)閱讀：
技術(shù)講解：光電二極管傳感器電路優(yōu)化設(shè)計(jì)
電路突擊：優(yōu)化設(shè)計(jì)光電二極管傳感器電路
技術(shù)解析：二極管浪涌電流測(cè)試方案設(shè)計(jì)
