简单地说，跨阻放大器是一种转换器电路，可将输入电流转换为成比例的输出电压。众所周知，当电流流过电阻时，会在电阻两端产生一个电压降，该电压降将与电流值和电阻本身的值成正比。在此，假设电阻器的值理想地恒定，我们可以轻松地使用欧姆定律根据电压值来计算电流值。这是最基本的电流电压转换器，由于我们使用了一个电阻器（无源元件）来实现这一目的，因此被称为无源电流电压转换器。
另一方面，跨阻放大器是一种 有源电流到电压转换器，因为它使用像Op-Amp这样的有源组件将输入电流转换为成比例的输出电压。也可以使用其他有源组件（例如BJT，IGBT，MOSFET等）构建有源I至V转换器。最常用的电流电压转换器是跨阻放大器（TIA），因此在本文中，我们将详细了解和如何在电路设计中使用它。
跨阻放大器的重要性
现在我们知道甚至可以使用电阻器将电流转换为电压，为什么我们必须使用运算放大器来构建有功电流至电压转换器？与无源V到I转换器相比，它有什么优势和重要性？
为了回答这个问题，假设光敏二极管（电流源）根据其上的光在其端子上提供电流，并且在光电二极管两端连接了一个简单的低值电阻器，以将输出电流转换为成比例的电压，如下图所示。下图。
上面的电路从理论上讲可能会很好地工作，但是在实践中，由于光电二极管还将包含一些不需要的电容特性（称为杂散电容），因此性能会受到影响。因此，对于较小的感测电阻器值，时间常数（t）（t =感测电阻x杂散电容）将很小，因此增益将很低。相反，如果增加检测电阻，则增益将很高，并且时间常数也将高于较小的电阻值。这种不均匀的增益将导致信噪比不足并且输出电压的灵活性受到限制。因此，为了解决增益和噪声相关的问题，通常首选跨阻放大器。此外，在跨阻放大器中，设计人员还可以根据设计要求配置电路的带宽和增益响应。
跨阻放大器的工作
跨阻放大器电路是具有负反馈的简单反相放大器。如下图所示，将单个反馈电阻（R1）与放大器一起连接到放大器的反相端。
众所周知，由于运算放大器的高输入阻抗，其输入电流将为零，因此来自电流源的电流必须完全流经电阻R1。让我们将此电流视为Is。此时，可以使用以下公式计算运算放大器的输出电压（Vout）-
Vout =-是x R1
该公式在理想电路中将成立。但是在实际电路中，运算放大器将由一定值的输入电容和跨其输入引脚的杂散电容组成，这可能会导致输出漂移和振铃振荡，从而使整个电路不稳定。为了克服这个问题，代替单个无源元件，需要两个无源元件来使跨阻电路正常工作。这两个无源元件是先前的电阻器（R1）和附加的电容器（C1）。电阻和电容器都并联连接在放大器的负输入和输出之间，如下所示。
运算放大器在这里再次通过电阻R1和电容器C1作为负反馈连接。施加到跨阻放大器的反相引脚的电流（Is）将在输出侧转换为等效电压Vout。输入电流的值和电阻器（R1）的值可用于确定跨阻放大器的输出电压。
输出电压不仅取决于反馈电阻，而且还与反馈电容器C1的值有关。电路带宽取决于反馈电容器值C1，因此该电容器值可以改变整个电路的带宽。为了使电路在整个带宽内稳定工作，下面显示了计算所需带宽的电容值的公式。
C1≤1 /2πx R1 xf p
其中，R1是反馈电阻，f p是所需的带宽频率。
在实际情况下，放大器的寄生电容和输入电容在跨阻放大器的稳定性中起着至关重要的作用。电路的噪声增益响应还会由于电路相移裕量而产生不稳定性，并导致过冲阶跃响应行为。
跨阻放大器设计
为了了解如何在实际设计中使用TIA，让我们使用单个电阻器和电容器设计一个TIA，并对其进行仿真以了解其工作原理。使用运算放大器的电流至电压转换器的完整电路如下所示
以上电路使用通用的低功率放大器LM358。电阻器R1用作反馈电阻器，并且电容器用作反馈电容器的目的。放大器LM358以负反馈配置连接。负极输入引脚连接到恒定电流源，正极引脚连接到地或处于0电位。由于这是一个仿真，整个电路都可以作为理想电路紧密工作，因此电容值不会受到太大影响，但是如果电路是物理构造的，则至关重要。 10pF是一个合理的值，但是可以根据电路的频率带宽更改电容器值，如前所述，可以使用C1≤1 /2πx R1 xf p来计算电路的带宽。
为了实现完美的操作，运算放大器还从+/- 12V双电源轨供电。反馈电阻值选择为1k。
跨阻放大器仿真
可以对上述电路进行仿真，以检查设计是否按预期工作。运算放大器的输出端连接了一个直流电压表，用于测量跨阻放大器的输出电压。如果电路工作正常，则电压表上显示的输出电压值应与施加到运算放大器反相引脚的电流成比例。
完整的模拟视频可以在下面找到
在测试用例1中，运算放大器上的输入电流为1mA。由于运算放大器的输入阻抗非常高，电流开始流经反馈电阻，并且输出电压取决于反馈电阻值乘以电流的电流，由公式Vout = -Is x R1决定。我们之前讨论过。
在我们的电路中，电阻R1的值为1k。因此，当输入电流为1mA时，Vout为
Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000欧姆 Vout = 1 V
如果检查电流到电压仿真结果，则结果完全匹配。由于跨阻放大器的作用，输出变为正。
在测试用例2中，运算放大器上的输入电流为.05mA或500微安。因此，输出电压的值可以计算为。
Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000欧姆Vout =.5 V
如果我们检查仿真结果，这也完全匹配。
这又是一个模拟结果。在构建电路时，实际上简单的杂散电容会在该电路中产生时间常数效应。在进行物理构造时，设计师应注意以下几点。
- 避免使用面包板或覆铜板或任何其他带状板进行连接。仅在PCB上构建电路。
- 运算放大器需要直接焊接到没有IC支架的PCB上。
- 对反馈路径和输入电流源（光电二极管或跨阻放大器需要测量的类似东西）使用短走线。
- 反馈电阻和电容器应尽可能靠近运算放大器放置。
- 最好使用短引线电阻。
- 在电源轨上添加大小合适的滤波电容器。
- 为简化设计，选择专门为此放大器设计的合适运算放大器。
跨阻放大器的应用
跨阻放大器是用于光感应相关操作的最重要的电流信号测量工具。它被广泛应用于化学工程，压力传感器，各种类型的加速度计，高级驾驶员辅助系统和自动驾驶汽车中使用的LiDAR技术。
跨阻电路的最关键部分是设计稳定性。这是由于寄生和噪声相关的问题。设计人员必须谨慎选择正确的放大器，并应谨慎使用正确的PCB准则。