【经验】可用于I-V转换的精密、高速和对数运算放大器，满足光电采集、高阻抗传感器信号采集和光功率检测的要求

时间： 2021-03-18 来源：思瑞浦

技术问答

本文将介绍运算放大器的I-V转换应用。首先了解一下运算放大器中的I_B和I_OS这两个参数在I-V应用中的影响。理想的运算放大器的I_B和I_OS都是为0，现实的运算放大器在它的输入管脚都会吸收或输出少量的电流，如图1所示。

图1

其中I_B是定义的输入偏置电流，I_OS是定义的输入失调电流，I_OS的量级通常比I_B小的多，实际应用中可以只用考虑I_B的大小，而I_B的大小通常和运算放大器的制造工艺和ESD架构相关：

I_B= ( I_P+I_n) /2

I_OS=(I_P-I_n)/2

Bipolar工艺的I_B远大于CMOS工艺的I_B，依CMOS运算放大器为例，CMOS工艺运算放大器输入Pin内部是接MOSFET的栅极，不消耗任何电流，但运算放大器的同相/反相输入Pin通常存在ESD保护二极管，会有极小的反相电流存在（通常是pA级大小），如图2所示。

图2

反相电流是少数载流子参与电荷移动形成的电流，少数载流子受温度影响严重，通常环境温度每升高10℃，二极管PN结反相电流都会增加1倍。

电流-电压转换器也称为跨阻放大器(TIA)，如图3所示。

图3

输入电流IS，Vo=A*IS ，这里A是电路增益，单位是V/A。假定I_B=0，也就是理想放大器，则Vo=-R*IS 。I_B的存在，实际运算放大器的输出是：Vo=-R*(IS-I_n）=-R*(IS-I_B)

R的值决定了系统的增益，为了实现更高增益通常提高R的阻值，但实际应用中R的提高并不能线性提高系统增益。较小阻值的T型网络可实现高增益的应用，如图4a所示：

图4a

但此电路对运算放大器的Vos有一定的要求，不适合选Vos太大的运算放大器，此时的运算放大器的输出电压：

Vo=-K*R2*IS+Vos*(1+R2/R1)

其中K=1+R/R1+R/R2

R也可看成一个Z(S)阻抗，其中S是复频率，在一些高频应用中，如图4b的等效输入模型，需要考虑运算放大器的同相/反相输入Pin间的电容带来的漏电的影响。当然为减少I_B的特殊ESD架构和低输入Pin间电容的运算放大器对系统性能的提升很有帮助。

Vo(s)=-Z(S)*IS(S)

图4b

最常见的I-V转换应用是光电流或光电导检测、高阻抗传感器电流检测等，如实现宽范围电流检测，可在反馈网络中加入低R_dson、低I_OFF的模拟开关实现多量程切换，如图5所示：

图5

3PEAK（思瑞浦）的TP24xx系列运算放大器采用CMOS工艺生产、低Vos(<1mV)、严格的I_B（<200pA MAX）测试，满足精密光电采集、高阻抗传感器高精度信号采集应用。

模拟开关TPW3125具有高带宽（250MHz）、低R_dson（<5Ω）、低ON/OFF漏电流（<0.1uA MAX）, 适合多量程测量应用。

对数放大器也是一种I-V转换器，其传递函数是：

V_LOG=V_Y*Log_b(I_S/I_R)

其中V_Y是输出比例因子，3PEAK的对数放大器TPA8304是0.2V，I_R是输入基准电流，b为基底，通常是10，V_LOG是对数放大器输出，I_S是输入电流。

三极管的V_be电压和输入电流有一定的对数关系，对数放大器的实现就是利用了BJT的指数特性，集电极电流ic是按照指数规律与基极-射极间V_be关系为：

ic=I_S*exp(V_be/V_T)

其中V_T为电压档量，常温下约为26mV，I_S为集电极饱和电流

V_BE=V_T*ln（i_C/I_S）

图6中ic=VS1/R，同时考虑到运算放大器的V_OS和运算放大器的I_B，ic=((VS1-V_OS)/R)-I_B_{_，}其传递函数为：

V_O=-V_T*ln((VS1-V_OS-R*I_B)/(R*I_S))

图6

单电源5V供电，TPA8304内部提供一个固定的2.0V基准，内部温度补偿电路保证宽温度范围的很好的Log（对数）一致性，内置独立运算放大器，方便满足额外增益的实际应用。快速动态相应特性：

· 10nA到10uA阶跃相应时间0.5us

· 10uA到1nA 阶跃相应时间3us

图7 TPA8304内部框图

TPA8304可实现1nA到10mA电流7dec（DR为动态范围，定义为DR=Logb(I_smax/I_smin)的数据压缩，10nA至1mA范围，0.25dB的动态误差，实现光路系统的光功率监测的EDFA、VOA等应用。

图8 TPA8304 Log特性

I-V转换应用范围广，从光电检测、高阻抗传感器信号采集，到光功率检测等应用，3PEAK均有合适的精密、高速和对数运算放大器产品满足多种应用要求。

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选型指南 - 思瑞浦 - REV.17 - 2024/4/19 PDF 中文下载

思瑞浦（3PEAK）运算放大器选型表

思瑞浦（3PEAK）高性能运算放大器，精密运算放大器：失调电压低至5uV，温漂低至0.008uV，支持双电源供电。低噪声运算放大器：噪声系数低至0.1μVpp/Hz，适用于低噪声系统应用。超低功耗运算放大器：功耗低至300nA，轨到轨输出，适用于电池供电产品。超低功耗比较器：功耗低至300nA。负载驱动电流25mA，适用于便携式设备。

Iq per channel (Max)(μA)

Offset Drift(Typ)(μV/°C)

Ib(typ)(pA)

Vn (Typ) (nV/rtHz)

Peak Noise at 0.1 to 10Hz(μVpp)

Operating Temperature Range(°C)

选型表 - 思瑞浦立即选型

TPA6551/TPA6552/TPA6554 5-V, 10-MHz GBWP, Low-Noise Op Amps

型号- TPA655X FAMILY,TPA6551U-S5TR,TPA655XN SERIES,TPA6551-SC5R,TPA6551N-S6TR,TPA6551U,TPA6551-S5TR,TPA6554-TS2R,TPA655X SERIES,TPA6552-SO1R,TPA6554-SO2R,TPA655X,TPA6551,TPA6551N,TPA6552,TPA6551U-SC5R,TPA6552-VS1R,TPA6554

数据手册 - 思瑞浦 - Rev.A.0 - 2023-03-28 PDF 英文下载查看更多版本

TP2581/ TP2582/ TP2584 36V, 10MHz, 8V/μs Op Amps

型号- TP258X FAMILY,TP258X,TP2582,TP2581,TP2584,TP258X SERIES,TP2581-SR,TP2582-SR,TP2581-TR,TP2582-VR,TP2584-TR,TP2582-TSR,TP2584-SR

数据手册 - 思瑞浦 - Rev.A.3 - 2023/7/8 PDF 英文下载查看更多版本

TPA2671/TPA2672/TPA2674 36-V, 10-MHz, High PSRR, Op Amps

型号- TPA2671U-S5TR,TPA2672-TS1R,TPA2671U,TPA2672-SO1R,TPA267X SERIES,TPA2671-SC5R,TPA267X,TPA2671U-SC5R,TPA2671-S5TR,TPA2672-VS1R,TPA2671,TPA2674-SO2R,TPA2674,TPA2672,TPA2674-TS2R

数据手册 - 思瑞浦 - Rev.A.1 - 2024-1-3 PDF 英文下载查看更多版本

TP2411/TP2412/TP2414 Low Cost, Low Noise CMOS RRIO Op Amps

型号- TP241X,TP2411-TR,TP2412-SR,TP2412-TR,TP2414,TP2412-VR,TP2412,TP2411 SERIES,TP2414-TR,TP2411,TP2412-TSR,TP2414-SR

数据手册 - 思瑞浦 - Rev.B.7 - 2022/08/09 PDF 英文下载查看更多版本

TP1561AL1/TP1562AL1/TP1564AL1-S 6-MHz, 600-μA, RRIO, Op Amps

型号- TP1561AL1-S5TR-S,TP1564AL1-S,TP1562AL1-SO1R-S,TP156XAL1 SERIES,TP1564AL1-SO2R-S,TP156XAL1 FAMILY,TP1561AL1,TP1562AL1,TP1562AL1-VS1R-S

数据手册 - 思瑞浦 - Rev.A.3 - 2023-09-15 PDF 英文下载

【选型】国产高速运算放大器TPH2501-CR用于电子烟，转换速率高达180V/μs

电子烟电路部分包括MCU、电源管理、锂电池、气压传感器、雾化器、运算放大器、功率放大管、显示模块等。其中运算放大器功能是将微弱的小信号放大为大信号给到MCU处理，本文给大家介绍一款国产的运放，它就是3PEAK的TPH2501-CR。

器件选型发布时间 : 2022-12-22

TP5531 / TP5532 / TP5534 1.8V, 42μA, RRIO, Zero Drift Op-amps

型号- TP5531-TR,TP5532-SR,TP5531U-CR,TP5531U,TP5534,TP5532,TP5531,TP5532-FR,TP553X SERIES,TP5531U-TR,TP553X,TP5534-TR,TP5534-SR,TP5532-VR

数据手册 - 思瑞浦 - REV B.1 - 2023/11/14 PDF 英文下载

TPW3125-S Low-Voltage, 6-Ω SPDT Analog Switch

型号- TPW3125-S,TPW3125L1-SC6R-S,TPW3125

数据手册 - 思瑞浦 - Rev.A.0 - 2024-05-29 PDF 英文下载查看更多版本

TP2261/ TP2262/ TP2264 36V, 3.5MHz, 15V/μs Op Amps

型号- TP2261,TP226X,TP2262,TP2262-FR,TP2264,TP2262-TSR,TP2261-TR,TP2262-F2R,TP2262-SR,TP2261-SR,TP226X SERIES,TP2264-TR,TP226X FAMILY,TP2262-VR,TP2264-SR

数据手册 - 思瑞浦 - Rev.A.1 - 2021/4/10 PDF 英文下载查看更多版本