跨阻放大器輸入阻抗究竟是多少?

作者 : Bruce Trump,EDN

跨阻放大器的輸入阻抗是多少呢?無窮大還是零呢?都不是,究竟是多少?

跨阻放大器(TIA)的輸入阻抗是多少呢?無窮大還是零呢?都不是,究竟是多少?沒有事物是絕對為零或絕對無窮大的,對嗎?即使你沒有用過TIA,TIA輸入阻抗的值會讓你驚訝,值得你去理解。畢竟,一個反向放大器就是一個有輸入電阻的TIA,對嗎?

TIA將一個電流訊號轉換成電壓,並且經常用於測量弱電流,如圖1所示。對於理想運算放大器,有無窮大的開迴路增益和頻寬,輸入阻抗為零。運算放大器的反饋回路使得V1保持虛地,得到一個零輸入電阻。類似一個電流錶,一個理想的電流測量電路的輸入阻抗應該為零。

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我們仍然假設運算放大器工作在理想條件下,但實際上運算放大器的增益頻寬積是有限的,我們應該思考其輸入阻抗Z是多少?一些推論和8階的代數式揭示出一個有趣的結果,圖2是OPA314的開迴路增益隨頻率變化的曲線。對於今天的大多數運算放大器,在一個較寬的頻率範圍內——超過通用元件的50倍,開迴路增益以一個恆定的斜率-20dB/10倍頻下降。它的增益頻寬積是3MHz,所以在這個範圍以內的任何頻率下,其增益接近3MHz/f。

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在圖2中黃色方框內標出的因數揭示了結果。Z和Rf、f成正比,和增益頻寬積成反比。但是,Z和f成正比意味著什麼呢?它感覺更像一個基本的電路元件——電感。一個電感的阻抗是2πfL,所以我們可以將TIA的輸入端等效為一個電感。

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這非常巧,是嗎?也許你之前已經知道了這一點。在一個較寬的頻率範圍內,輸入端可以視為一個電感負載。在大多數應用中,我們希望這個電感越小越好。RF通常是根據跨阻增益而定,所以更高的增益頻寬積是減小這個電感的唯一方法,將這種方法應用於實際,你可能會從光電二極體或者電流轉換電路中獲得更多的洞察力。

沒有更多新的東西在這裡。各種使用運算放大器合成的電感電路已經存在了很長一段時間,但是你可能沒有將它和TIA或者反向放大器聯繫起來,建立這種聯繫會帶來更深層次的思考和創造力。

更重要的是對運算放大器輸入電壓的觀察。假設在無窮大的開迴路增益條件下,我們經常希望運算放大器的差模輸入電壓為0。但是,在一個較寬的頻率範圍內,一定不是這樣的。增益頻寬積、頻率和輸出電壓之間的簡單關係提供了一種簡單的理解輸入電壓如何隨著頻率變化的方法。

當然,有許多限制條件:這是一個小訊號分析。如果使用夠大的訊號幅度和頻率驅動運算放大器,運算放大器將變得遲緩,且V1的電壓降會增加,而且這種模型是假設運算放大器的開環回應以簡單的-20dB/10倍頻斜率下降。許多運算放大器可能在開環回應曲線上存在不平坦,這會給增益等於GBP/f模型帶來影響。

一個額外的練習:能否改善電感模型,加入有限的DC開迴路增益影響?

(參考原文: TIA Input Z: Infinite… or Zero? What is it, really?,by Bruce Trump,EDN China編譯)

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