跨阻放大器

什么是跨阻放大器？

跨阻放大器是一种主动的电流-电压转换器，它将输入电流转换为成比例的输出电压。它使用运算放大器（Op-Amp）、双极结晶体管（BJT）、MOSFET等主动电子元件进行这种转换，确保各种输入电流水平的电压转换得到成比例的放大。

输入电流可以通过简单的电阻电路轻松转换为电压，因为电流流经电阻时，会根据电阻的大小产生相应的电压降。但如果输入电流来自某些具有固有电容的元件（如光电二极管），则该电路将无法将输入电流转换为成比例的输出电压。电容的存在与电阻结合，会使电路形成一个RC振荡器。对于小负载电阻，放大器产生的增益会较小，因为时间常数（= 电阻 × 电容）会很小。类似地，如果增加负载电阻，则会产生不均匀的增益。这将导致在广泛输入电流范围内信噪比不足和线性比例失效。因此，跨阻放大器更适合在各种具有先进电子和光子元件的电路中执行电流-电压转换或输入电流测量。

跨阻放大器电路通常包含一个以反相放大器配置的运算放大器，而不使用输入电阻。在此电路中，反馈电阻连接在输出端（V_out）和反相端（V₂）之间，而非反相端（V₁）则接地。对于运算放大器的简单分析，有两个重要规则：

1. 由于输入阻抗高，输入端没有电流流入。
2. 输入端之间的电压差为零，即 V_DIFF = V₁ - V₂ = 0。

由于非反相端接地，两个输入端的电位都被设定为零，即 V₁ = V₂ = 0。这被称为虚地。当输入电流 'i' 通过输入电阻施加到反相端时，可以使用如下等效电路计算输出电压：

在这里，达到虚地的电流无法流入运算放大器，因此流过反馈电阻。因此，输出电压可以计算为 

V₂ – V_out = i*R_F

即， V_out = - i*R_F

这里电流到输出电压转换的增益取决于反馈电阻，并通过所使用的运算放大器在广泛的电流输入范围内得到稳定。负号表示输出信号的反相，即输入和输出信号相位相差 π。

如果光探测元件的电流输出作为输入施加到反相端，则在输出端得到 180 度反相的放大电压 V_out = - I_s * R_f。

用于敏感光探测仪器的跨阻放大器

跨阻放大器广泛应用于设计用于光测量的系统。科学仪器如光谱仪使用光电二极管在每个波长上精确测量光，从而识别样品中的成分或分子。这些样品在入射光与它们相互作用时，会具有不同的吸收、反射、透射等范围，因此光电二极管会在不同电流水平下产生电流输出。为了使测得的电压输出与这些探测器产生的电流之间具有线性关系，跨阻放大器是必不可少的。此外，还可以采用多个阶段的这些放大器。

跨阻放大器可以用于处理各种元件（如压力传感器、光电二极管、加速度计等）的电流输出，以获得有用的输出电压信号。它们在光通信、高级驾驶辅助系统和自动驾驶车辆中也非常有用。