【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
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IB和IOS这两个参数在I-V应用中的影响。理想的运算放大器的IB和IOS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IB是定义的输入偏置电流,IOS是定义的输入失调电流,IOS的量级通常比IB小的多,实际应用中可以只用考虑IB的大小,而IB的大小通常和运算放大器的制造工艺和ESD架构相关:
IB= ( IP+In ) /2
IOS=(IP-In)/2
Bipolar工艺的IB远大于CMOS工艺的IB,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IB=0,也就是理想放大器,则Vo=-R*IS 。IB的存在,实际运算放大器的输出是:Vo=-R*(IS-In)=-R*(IS-IB)
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IB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Rdson、低IOFF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IB(<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Rdson(<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:
VLOG=VY*Logb(IS/IR)
其中VY是输出比例因子,3PEAK的对数放大器TPA8304是0.2V,IR是输入基准电流,b为基底,通常是10,VLOG是对数放大器输出,IS是输入电流。
三极管的Vbe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Vbe关系为:
ic=IS*exp(Vbe/VT)
其中VT为电压档量,常温下约为26mV,IS为集电极饱和电流
VBE=VT*ln(iC/IS)
图6中ic=VS1/R,同时考虑到运算放大器的VOS和运算放大器的IB,ic=((VS1-VOS)/R)-IB,其传递函数为:
VO=-VT*ln((VS1-VOS-R*IB)/(R*IS))
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(Ismax/Ismin)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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思瑞浦(3PEAK)接口产品选型表
RS-485:支持 3V/5V 、半双工、有极性和无极性的 RS-485/-422收发器,最高速速率20M,支持1.8V IO,省去电平转换电路,形成单芯片解决方案。RS-232:单电源供电的 RS-232通信接口芯片,低功耗、高数据速率、外围电路简单。CAN:±30V共模电压,8K ESD CAN收发器。电平转换:I2C电平转换,热插拔缓冲器及IO扩展芯片。MLVDS:4路LVDS接收器,传输速率最高可达400Mbps。
产品型号
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品类
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Status
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Rating
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Package
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Channel
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Switch Config
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VDD(V)
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VEE(V)
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BW(MHz)
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IQ(Typ.)(1 Channel)(μA)
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Ron(Ω)
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Leakage Current(nA)
|
VIH(Min)(V)
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VIL(Max)(V)
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tON(ns)
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tOFF(ns)
|
Latch up(mA)
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TPW4051-SR-V
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高压模拟开关
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Production
|
Industrial
|
SOP16
|
1
|
8:1
|
3~12
|
-6~0
|
200
|
8
|
120
|
100
|
2
|
0.8
|
60
|
50
|
150
|
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
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
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
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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
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
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TPA1861 / TPA1862 / TPA1864, 36V, 6MHz, Zero Drift Op Amps
型号- TPA1864,TPA1862,TPA186X SERIES,TPA186X,TPA1862-VR,TPA1864-SR,TPA1864-TR,TPA1861-TR,TPA1861,TPA1861-SR,TPA1862-SR
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电子商城
现货市场
服务
使用FloTHERM和Smart CFD软件,提供前期热仿真模拟、结构设计调整建议、中期样品测试和后期生产供应的一站式服务,热仿真技术团队专业指导。
实验室地址: 深圳 提交需求>
可定制板装式压力传感器支持产品量程从5inch水柱到100 psi气压;数字输出压力传感器压力范围0.5~60inH2O,温度补偿范围-20~85ºС;模拟和数字低压传感器可以直接与微控制器通信,具备多种小型SIP和DIP封装可选择。
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