电流转换放大器的选择与应用

已创建：April 19, 2021
已更新：July 1, 2024

准备将电流转换为电压了吗？你需要一个跨阻放大器。

每个阅读此文的人可能都记得在他们的电子学101课程中听说过运算放大器，但直到你开始将它们用于各种应用，它们的重要性可能并不总是显而易见。对于运算放大器，有许多不同的实现方式，每一种都有其特殊的名称。特别是，电流到电压的转换可能看起来像是简单地需要使用一个电阻和欧姆定律。然而，现实比在负载并联使用一个电阻要复杂一些。

跨阻放大器正提供了这样的功能，使得可以从像光电二极管或收发器这样的设备读出电流作为电压，然后可以将其转换为数字信号。虽然你可能会用另一种类型的放大器和一些外部组件做类似的事情，但当你使用跨阻放大器IC时，你可以在电路板上节省空间并获得一些其他功能。以下是你下一个系统的一些选项。

什么是跨阻放大器？

在我年轻的时候，让我困惑的一件事是，究竟是什么使各种放大器不同。如果你看一个跨阻放大器的电路图，它看起来与带有负反馈的运算放大器电路非常相似。那么它与运算放大器有什么不同呢？答案是：你可以从运算放大器构建一个跨阻放大器；区别在于输入到放大器电路中的信号以及电路内反馈的工作方式。

与其深入所有关于跨阻放大器的理论，不如说所有这些的要点是，你可以使用跨阻放大器将输入电流转换为电压。这在许多应用中很重要，例如：

光电二极管和光学设备：这些组件输出电流，但需要使用ADC将其转换为数字信号。跨阻放大器阶段将这个电流转换为电压，然后输入到ADC中。一个即将到来的领域是用于自动驾驶车辆的激光雷达系统。
低功耗模拟传感器：来自压力传感器、加速度计和其他输出电流的组件的信号可以被转换为电压并送入ADC。
射频设备：电信和科学应用中使用的跨阻放大器在微波频率下操作。

这个电路图展示了用于构建一个未补偿跨阻放大器的典型运算放大器连接。

如果您正在为这些应用之一设计，您可能会选择一个跨阻放大器集成电路，而不是选择一个运算放大器集成电路并将其配置为跨阻放大器。这些集成电路针对特定应用进行了优化，并包含了一些使用离散组件难以设计的其他特性。

重要规格

一些重要的跨阻放大器规格如下：

传输阻抗。 这相当于放大器的增益。传输阻抗乘以输入电流得到输出电压。
跨阻带宽。 所有跨阻放大器在线性范围内操作时都有低通传输函数。许多实际应用处理数字或脉冲电流，脉冲的带宽不应超过放大器的输入带宽。这个规格的含义与单位增益带宽相同，即增加带宽需要降低增益。
线性范围。 像任何其他运算放大器一样，当输入信号非常大时，跨阻放大器集成电路可以饱和。范围可能被指定为上限或下限，以及一些以dB表示的动态范围。
补偿。 这在用于光电二极管感测或任何其他具有寄生电容的组件中很重要。由于光电二极管电路模型中的寄生电容，跨阻放大器的传输函数中可能会出现共振。这可以在增益与输入频率图中看到，不同的寄生电容值的源组件会产生不同的曲线。具有内部补偿的放大器允许使用具有更高寄生电容的源组件。
参考RMS电流噪声。 这告诉您闭环操作中的RMS噪声功率谱密度（以电流项表示）。这将是负反馈环中增益的一个函数。高质量组件的RMS电流约为~1-10 pA/√Hz，这意味着对于100 MHz带宽在增益为10,000时，输出信号上的噪声为1-10 mV。

Maxim Integrated, MAX40662

Maxim Integrated的MAX40662跨阻放大器是一款四通道设备，专为激光雷达接收器和涉及电流脉冲的相关应用中的光学距离测量而设计。该组件的传输阻抗是可选择的（25和50 kOhm），具有非常低的噪声（2.1 pA/√Hz功率谱密度），使该组件非常适合快速脉冲电流测量，且抖动低。它还包括一个内部多路复用器，带宽高达440 MHz，这将轻松支持10 ns电流脉冲。

MAX40662跨阻放大器应用电路。来自MAX40662数据手册。

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

德州仪器的LMH32401IRGTT由于其差分输出，非常适合在噪声环境中操作。输出增益有2个设置，同时仍提供高增益带宽产品（在20 kOhm时高达275 MHz，或在2 kOhm时高达450 MHz）。这个组件的理想应用包括计算机视觉、机械扫描的激光雷达、飞行时间位置测量，以及涉及脉冲电流源的相关应用。

对于电光测量应用，这款跨阻放大器包括一个集成的环境光消除电路和100 mA电流夹电路以阻尼瞬态。在较高增益设置下，该组件能够感测短至800 ps的电流脉冲。输入噪声也参考到全带宽下的49 nA RMS，为电流测量提供宽动态范围。