电阻性反馈电路---电流电压转换器

  一个电流电压转化器(I-V转换器)也称为跨阻放大器(transresistance amplifier),它接受一个输入电流i_I,并产生形为v_o = Ai_I的输出电压,这里A是电路增益,以伏/安计。如图

图1 基本I-V转换器

  假设运算放大器是理想的,那么有
v_o=-Ri_I \tag{1}
增益是-R。增益的幅度也成为该转换器的灵敏度

  值得注意的是,负反馈元件不必局限为一个电阻,在更一般的情况下它是一个阻抗Z(s),其中s是复频率,对(1)式取拉普拉斯变换形式有V_o(s)=-Z(s)I_i(s)\tag{2}从而这个电路称为跨阻抗放大器

闭环参数

  如果要使用一个实际的运算放大器,就要来研究非理想的情况。


图2 负反馈拓扑 a)输入串联 b)输入并联 c)输出并联 d)输出串联

  由上图可以判断,这是一个并联-并联拓扑结构。

环路增益

求解过程如下:
  除去所有输入源后,如下图所示

图3 除去输入源后的电路图

在图示位置剖开并注入一个测试信号
v_T
,当这个信号环绕这个环路传播时,作为返回信号
v_R=-a\beta v_T
又折回来,所以
T=a\beta
可按下式
T=-\frac{v_R}{v_T}\tag{3}
求得。又有
v_R=-\frac{a r_d}{r_o+R+r_d} v_T
可知
T=\frac{a r_d}{r_o+R+r_d}\tag{4}

闭环增益

  在实际的电路中,通常有r_o \ll R,因此对(4)式有T=\frac{a r_d}{R+r_d} \tag{5}
对原电路分析可知I_i+\frac{v_o-v_D}{R}=\frac{v_D}{r_d} -av_D=v_o
消去v_D求得A=\frac{v_o}{I_i}=-R\frac{1}{1+\frac{1}{T}} \tag{6}

输入阻抗

R_i = \frac{r_d||(R+r_o)}{1+T} \tag{7}

输出阻抗

R_o = \frac{r_o}{1+T} \tag{8}

例题: 如果图1用741运算放大器和R=1MΩ实现,求它的闭环参数。
题解:查阅数据手册

可知r_d = 2,000,000Ωr_o = 75Ωa=200,000V/V
求得T=\frac{200,000V/V*2,000,000Ω}{2,000,000Ω+1,000,000Ω+75Ω}=133,330 V/A A=-1,000,000Ω\frac{1}{1+\frac{1}{133,330}}=-0.999993 V/\mu A R_i=5Ω R_o=56mΩ

高灵敏度I-V转换器

  很明显,高灵敏度的应用可能会要求特别大的电阻,除非采取适当的措施,否则与电阻R并联的周围电阻将会是净反馈电阻减小,并使电路的准确度降低。图4中展示了一种广为采用的方法来避免这个问题。

图4 高灵敏度I-V转换器

  这个电路利用一种T型网络来实现高灵敏度,而不需要特别大的电阻。
  在节点
v_1
将电流相加得
-\frac{v_1}{R}-\frac{v_1}{R_1}+\frac{v_o-v_1}{R_2}=0
,根据“虚短”,“虚断”可知,
v_1=-Ri_I
,消去
v_1
得到
v_o = -kR i_I
k=1+\frac{R_2}{R_1}+\frac{R_2}{R} \tag{9}
,这个电路是靠倍乘因子
k
来增加R的,这样就可以从一个合理的R值出发,然后乘以所需要的
k
值来实现高灵敏度。

实际的运算放大器在它的输入端还是有一个微小的电流,称为输入偏置电流,它会影响高灵敏度I-V转化器的性能。这一缺陷可以用低输入偏置电流的运算放大器来克服,如JFET输入MOSFET输入运算放大器。

光电检测器放大器

图5 (a) 光电导检测器 (b) 光电检测器
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