跨阻放大器的光伏模式和光电导模式

跨阻放大器（Trans-impedance amplifier，简称TIA），主要应用电流转电压的场合，常与光电二极管配合使用，来检测微弱的光电信号。

为什么是跨阻放大器？

如果输入光的光功率在几百微瓦量级，假设光电探测器的响应度为0.8A/W，经光电转换后，光电流的大小只有几百微安（倘若考虑光到探测器之间其它的光路损耗，甚至可能仅有几十微安或更低）。普通运算放大器的噪声、失调电流电压等就可能将如此小的电流信号淹没掉了，这样放大的基本上都是噪声了。所以必须进行滤波和误差补偿，以确保被放大的信号包含较少的噪声，跨阻放大器就是起到了这个作用。

光电探测器与跨阻放大器结合可以分两种情况：光伏模式和光电导模式。

光伏模式

由于运放的同相输入端接地，Vin+和探测器二极管的正极都等于0V；由于虚短，运算放大器的同相输入端Vin+和反相输入端Vin-相等，因此，理论上探测器二极管两端的电压为0V。由于虚断，运放的同相输入端Vin+和反相输入端Vin-之间通过的电流为0A，那么探测器二极管的光生电流I完全流经Rf，那么此时放大器的输出电压为

Rf称为跨阻抗增益电阻器或反馈电阻器。

理论上，在零偏压下，二极管不会产生暗电流，此时线性度和灵敏度最高，噪声水平较低，该模式适合于高精度应用。但是，实际上光照会导致PN结处的产生电子—空穴对，在内建电场的作用下，电子向N区移动，空穴向P区移动，形成了与内建电场方向相反的光生电场，相当于给PN施加了方向偏置（非常小），不可避免的会产生暗电流。

光电导模式

光电导模式与光伏模式不同之处在于，探测器二极管不与运算放大器的同相输入端Vin+短接接地，而是施加一个小小为V的反向偏置电压。运算放大器的工作原理与光伏模式相同；不同之处在于，反向偏置电压会减小探测器二极管的结电容，缩短响应时间，因此，该模式适合于高速应用。与光伏模式想比，其缺点在于线性度低、噪声水平高（热噪声和散粒噪声）和存在暗电流Id，但由于Id通常很小，通常在100多pA量级，可以近似认为放大器的输出电压为Vout等于I与Rf的乘积。

然而，为了确保跨阻放大器的稳定性，在许多应用中通常会给跨阻抗增益电阻器Rf有意并联一个电容器。

在理想情况下，探测器二极管的光生电流应全部流过跨阻抗增益电阻器Rf，即I=I1；然而实际情况，运算放大器会以输入偏置电流I2的形式“窃取”部分该电流，偏置电流I2会在输出端生成一个误差电压并限制跨阻放大器的动态范围，而且跨阻抗增益电阻器Rf越大，该影响就越明显。因此，在应用时应选择偏置电流足够低的放大器（如LTC6268输入偏置电流在室温条件下典型值为±3fA、在125℃时的最大值为4pA）以实现所需的动态范围。