在光通信領(lǐng)域,常常需要處理微弱的電流信號,而跨阻運放正是實現(xiàn)電流到電壓精準轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵電路。它能將 pA 到 mA 級的微弱電流信號線性轉(zhuǎn)換為易于處理的電壓信號,在光通信領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。
本文將圍繞兩個核心內(nèi)容展開:一是什么樣的運算放大器適用于搭建跨阻運放,二是跨阻運放在實現(xiàn)電流與電壓轉(zhuǎn)換過程中的工作原理是什么。
(1)運算放大器的選型
1.低輸入偏置電流
放大器需要具備低輸入偏置電流,輸入偏置電流會與反饋電阻產(chǎn)生誤差電壓,對于光通信時產(chǎn)生的微小電流信號而言,會造成較大的影響,應選擇輸入偏置電流小的運放,降低誤差。
- 低噪聲特性
電流噪聲會疊加在輸入電流上,降低信噪比。對于高頻微弱信號,需選擇電流噪聲密度低的運放。
- 帶寬高和高增益帶寬積
跨阻帶寬與反饋電阻和總寄生電容相關(guān),處理 100MHz 電流信號時,運放增益帶寬積需≥100MHz,保證跨組運放的高頻性能,匹配信號的頻率需求,避免因帶寬不足導致的信號劣化。
- 輸入阻抗與低輸入電容
運放應具有高輸入阻抗與低輸入電容,減少對電流源的負載影響,降低補償難度,JFET 輸入運放輸入電容通常較小,≤5pF 為宜。另外,運放需在寬反饋電阻范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,部分專用跨阻運放內(nèi)置補償網(wǎng)絡,且輸出要能驅(qū)動后續(xù)電路,輸出電流能力≥10mA。
(2)跨組運放的工作原理
跨阻運放的核心功能是實現(xiàn)電流-電壓的線性轉(zhuǎn)換,其數(shù)學關(guān)系為Vout=-Is*RF(其中RF為反饋電阻)。跨組運放可以將光電二極管輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號便于后續(xù)進行放大、濾波或 AD 轉(zhuǎn)換。
跨阻運放的工作原理是基于運放的“虛短” 和 “虛斷” 特性,通過負反饋網(wǎng)絡實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在如圖所示的電路中,電流輸入接運放反相輸入端,反饋電阻連接在運放輸出端與反相輸入端,同相輸入端接地或參考電壓。根據(jù)“虛斷” 特性,運放輸入阻抗極高,輸入電流幾乎全部流過反饋電阻;依據(jù) “虛短” 特性,反相輸入端與同相輸入端電壓近似相等,當同相端接地時,反相端為 “虛地”。由此可得輸出電壓與輸入電流成正比,比例與反饋電阻直接相關(guān)。
在實際應用中需注意補償設計。輸入電流存在寄生電容,與反饋電阻形成 RC 網(wǎng)絡,易導致電路振蕩。因此,需在反饋電阻兩端并聯(lián)補償電容,引入超前相位抵消 RC 網(wǎng)絡的滯后相位,確保電路穩(wěn)定工作。
跨阻運放是處理微弱電流信號的核心電路。運放在選型時需要關(guān)注輸入偏置電流、噪聲、帶寬和穩(wěn)定性等重要參數(shù);在設計電路時要注意反饋電阻和補償電容,需要進行阻抗匹配來平衡增益、帶寬與穩(wěn)定性,確保電信號的轉(zhuǎn)化更加準確。
審核編輯 黃宇
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電流信號
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