電阻性反饋電路---電流電壓轉(zhuǎn)換器

??一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)化器(I-V轉(zhuǎn)換器)也稱為跨阻放大器(transresistance amplifier)犬缨,它接受一個(gè)輸入電流i_I诱告,并產(chǎn)生形為v_o = Ai_I的輸出電壓,這里A是電路增益捧请,以伏/安計(jì)。如圖

圖1 基本I-V轉(zhuǎn)換器

??假設(shè)運(yùn)算放大器是理想的棒搜,那么有
v_o=-Ri_I \tag{1}
增益是-R疹蛉。增益的幅度也成為該轉(zhuǎn)換器的靈敏度

??值得注意的是力麸,負(fù)反饋元件不必局限為一個(gè)電阻可款,在更一般的情況下它是一個(gè)阻抗Z(s),其中s是復(fù)頻率克蚂,對(duì)(1)式取拉普拉斯變換形式有V_o(s)=-Z(s)I_i(s)\tag{2}從而這個(gè)電路稱為跨阻抗放大器闺鲸。

閉環(huán)參數(shù)

??如果要使用一個(gè)實(shí)際的運(yùn)算放大器,就要來(lái)研究非理想的情況埃叭。


圖2 負(fù)反饋拓?fù)?a)輸入串聯(lián) b)輸入并聯(lián) c)輸出并聯(lián) d)輸出串聯(lián)

??由上圖可以判斷摸恍,這是一個(gè)并聯(lián)-并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

環(huán)路增益

求解過(guò)程如下:
??除去所有輸入源后游盲,如下圖所示

圖3 除去輸入源后的電路圖

在圖示位置剖開并注入一個(gè)測(cè)試信號(hào)
v_T
误墓,當(dāng)這個(gè)信號(hào)環(huán)繞這個(gè)環(huán)路傳播時(shí),作為返回信號(hào)
v_R=-a\beta v_T
又折回來(lái)益缎,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}

閉環(huán)增益

??在實(shí)際的電路中然想,通常有r_o \ll R,因此對(duì)(4)式有T=\frac{a r_d}{R+r_d} \tag{5}
對(duì)原電路分析可知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}

輸入阻抗

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

輸出阻抗

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

例題: 如果圖1用741運(yùn)算放大器和R=1MΩ實(shí)現(xiàn)莺奔,求它的閉環(huán)參數(shù)。
題解:查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)

可知r_d = 2,000,000Ω变泄,r_o = 75Ω令哟,a=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

高靈敏度I-V轉(zhuǎn)換器

??很明顯妨蛹,高靈敏度的應(yīng)用可能會(huì)要求特別大的電阻屏富,除非采取適當(dāng)?shù)拇胧駝t與電阻R并聯(lián)的周圍電阻將會(huì)是凈反饋電阻減小蛙卤,并使電路的準(zhǔn)確度降低狠半。圖4中展示了一種廣為采用的方法來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題噩死。

圖4 高靈敏度I-V轉(zhuǎn)換器

??這個(gè)電路利用一種T型網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)高靈敏度,而不需要特別大的電阻神年。
??在節(jié)點(diǎn)
v_1
將電流相加得
-\frac{v_1}{R}-\frac{v_1}{R_1}+\frac{v_o-v_1}{R_2}=0
已维,根據(jù)“虛短”,“虛斷”可知已日,
v_1=-Ri_I
垛耳,消去
v_1
得到
v_o = -kR i_I
k=1+\frac{R_2}{R_1}+\frac{R_2}{R} \tag{9}
,這個(gè)電路是靠倍乘因子
k
來(lái)增加R的飘千,這樣就可以從一個(gè)合理的R值出發(fā)堂鲜,然后乘以所需要的
k
值來(lái)實(shí)現(xiàn)高靈敏度。

實(shí)際的運(yùn)算放大器在它的輸入端還是有一個(gè)微小的電流护奈,稱為輸入偏置電流泡嘴,它會(huì)影響高靈敏度I-V轉(zhuǎn)化器的性能。這一缺陷可以用低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器來(lái)克服逆济,如JFET輸入MOSFET輸入運(yùn)算放大器酌予。

光電檢測(cè)器放大器

圖5 (a) 光電導(dǎo)檢測(cè)器 (b) 光電檢測(cè)器
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