光电探测-IV转换电路，也称为TIA跨阻放大器
传统大电阻测电压方法的缺点
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电流源内阻分流问题
- 理想电流源的内阻 R R R 为无穷大，实际电流源的内阻 R R R 是有限的。根据并联分流原理，内阻会分流部分电流 I r = I ⋅ R L R L + R I_r = I \cdot \frac{R_L}{R_L + R} Ir=I⋅RL+RRL。
- 内阻越小 ，分流越大，导致实际测量到的电流 I 2 I_2 I2 小于真实值 I I I，引入误差。
- 反馈电阻 R L R_L RL 越小 ，内阻分流越小，但根据欧姆定律 V = I ⋅ R L V = I \cdot R_L V=I⋅RL，输出电压 V V V 会显著降低，难以检测微弱信号。
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输出电压过小
- 为减少内阻分流的影响，需选择较小的 R L R_L RL，但此时输出电压 V V V 过小，信噪比下降，测量精度降低。
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对电流源的依赖性
- 该方法直接依赖电流源的内阻特性，无法独立于电流源参数进行测量，适用性受限。
TIA跨阻放大器的优势与可行性
TIA（跨阻放大器）通过运放的 虚短 和 虚断 原理，解决了上述问题，成为测量微小电流的可靠方案。
核心原理
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虚短与虚断特性
- 虚短 ：运放同相端（ V p V_p Vp）和反相端（ V n V_n Vn）电位相等，即 V p = V n ≈ 0 V V_p = V_n \approx 0 \, \text{V} Vp=Vn≈0V（虚地）。
- 虚断 ：运放输入端无电流流入，即 I p = I n = 0 I_p = I_n = 0 Ip=In=0。
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电流路径与输出电压关系
- 输入电流 I I I 全部流经反馈电阻 R f R_f Rf，即 I f = I I_f = I If=I。
- 输出电压 V o V_o Vo 由欧姆定律给出：
V o = − I ⋅ R f V_o = -I \cdot R_f Vo=−I⋅Rf
（负号表示反相输出）。
解决传统方法的缺点
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消除内阻分流影响
- 由于虚断特性，电流源内阻 R R R 的分流电流为零（ I r = 0 I_r = 0 Ir=0），输入电流 I I I 完全通过反馈电阻 R f R_f Rf。
- 示例 ：若 R f = 1 M Ω R_f = 1 \, \text{M}\Omega Rf=1MΩ， I = 1 μ A I = 1 \, \mu\text{A} I=1μA，则 V o = − 1 V V_o = -1 \, \text{V} Vo=−1V，输出电压足够大且不受内阻影响。
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高增益与低噪声
- TIA通过调整反馈电阻 R f R_f Rf 可灵活控制增益（ V o / I V_o/I Vo/I）。
- 现代运放具有低噪声特性，适合微弱电流信号的测量。
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独立于电流源参数
- TIA的测量结果仅依赖于反馈电阻 R f R_f Rf，与电流源内阻无关，适用性更广。
实际应用中的注意事项
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反馈电阻选择
- 增益与带宽权衡 ：增大 R f R_f Rf 可提高增益，但会降低带宽（因寄生电容与 R f R_f Rf 形成低通滤波效应）。
- 噪声优化：选择低噪声运放，并合理设计反馈电阻值以平衡增益与热噪声。
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稳定性与补偿
- 在高频应用中，需添加反馈电容 C f C_f Cf 以抑制高频振荡（通过引入极点补偿）。
- 寄生电容（如光电二极管的结电容）可能影响稳定性，需通过仿真或实验优化参数。
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单电源供电设计
- 使用轨到轨运放（如 TLV272、OPA344），并为输入端提供偏置电压（如 V c c / 2 V_{cc}/2 Vcc/2），确保运放工作在线性区。
总结
- 传统大电阻方法：受电流源内阻限制，输出电压过小，误差大，不适用于微小电流测量。
- TIA跨阻放大器：利用运放的虚短和虚断特性，消除内阻分流影响，实现高精度、高增益的电流-电压转换。
- 实际应用：需合理选择反馈电阻、运放型号，并优化稳定性与噪声性能。
通过TIA的设计，可以高效解决微小电流测量中的核心问题，广泛应用于光电探测、传感器信号调理等领域。