Analog Dialogue 47-05 www.analog.com/zh/analogdialogue 1
可编程增益跨阻放大器
使光谱系统的动态范围
达到最大
作者：Luis Orozco
简介
利用光电二极管或其他电流输出传感器测量物理性质的精密
仪器系统，常常包括跨阻放大器 (TIA) 和可编程增益级以便
最大程度地提高动态范围。本文通过实际例子说明实现单级可
编程增益 TIA 以使噪声最低并保持高带宽和高精度的优势与
挑战。
跨阻放大器是所有光线测量系统的基本构建模块。许多化学分
析仪器，如紫外可见 (UV-VIS) 或傅里叶变换红外 (FT-IR)
光谱仪等，要依赖光电二极管来精确识别化学成分。这些系统
必须能测量广泛的光强度范围。例如，UV-VIS 光谱仪可测量
不透明的样品（例如使用过的机油）或透明物质（例如乙醇）。
另外，有些物质在某些波长具有很强的吸收带，而在其他波长
则几乎透明。仪器设计工程师常常给信号路径增加多个可编程
增益以提高动态范围。
光电二极管和光电二极管放大器
讨论光电二极管放大器之前，快速回顾一下光电二极管。当光
线照射其 PN 结时，光电二极管会产生电压或电流。图 1 显示
的是等效电路。该模型表示光谱仪所用的典型器件，包括一个
光线相关的电流源，它与一个大分流电阻和一个分流电容并联，
该电容的容值范围是 50 pF 以下（用于小型器件）到 5000 pF
以上（用于超大型器件）。
图 1. 光电二极管模型
图 2 显示了典型光电二极管的传递函数。该曲线看起来与普通
二极管非常相似，但随着光电二极管接触到光线，整个曲线会
上下移动。图 2b 是原点附近传递函数的特写，此处无光线存
在。只要偏置电压非零，光电二极管的输出就不是零。此暗电
流通常用 10 mV 反向偏置来指定。虽然用大反向偏置操作光
电二极管（光导模式）可使响应更快，但用零偏置操作光电二
极管（光伏模式）可消除暗电流。实践中，即使在光伏模式下，
暗电流也不会完全消失，因为放大器的输入失调电压会在光电
二极管引脚上产生小误差。
图 2. 典型光电二极管传递函数
在光伏模式下操作光电二极管时，跨阻放大器 (TIA) 可使偏
置电压接近 0 V，同时可将光电二极管电流转换为电压。图 3
所示为 TIA 的最基本形式。
图 3. 跨阻放大器
直流误差源
对于理想运算放大器，其反相输入端处于虚地，光电二极管所
有电流流经反馈电阻 R
f
。R
f
的一端处于虚地，因此输出电压
等于 R
f
× I
d
。为使这种近似计算成立，运算放大器的输入偏置
电流和输入失调电压必须很小。此外，小输入失调电压可以降
低光电二极管的暗电流。一个很好的放大器选择是 AD8615，
室温下其最大漏电流为 1 pA，最大失调电压为 100 μV。本例
中，我们选择 R
f
= 1 MΩ，以便在最大光输入条件下提供所需
的输出电平。
不过，设计一个光电二极管放大器并不像为图 3 所示电路选择
一个运算放大器那样简单。如果只是将 R
f
= 1 MΩ 跨接在运算
放大器的反馈路径上，光电二极管的分流电容会导致运算放大
器振荡。为了说明这一点，表 1 显示了典型大面积光电二极管
的 C
s
和 R
sh
。表 2 列出了 AD8615 的主要特性，其低输入偏置
电流、低失调电压、低噪声和低电容特性使它非常适合精密光
电二极管放大器应用。
表 1. 光电二极管规格
参数
符号
值
分流电容
C
s
150 pF
分流电阻
R
sh
600 MΩ
表 2. AD8615 规格
参数
符号
值
输入电容（差分）
C
diff
2.5 pF
输入电容（共模）
C
cm
6.7 pF
总输入电容（针对
TIA
）
C
i
= C
diff
+ C
cm
9.2 pF
增益带宽积
GBP
24 MHz
电压噪声密度
e
n
7 nV/√Hz
（
10 kHz
时）
电流噪声密度
I
n
50 fA/√Hz
（
1 kHz
时）
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