【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

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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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