跨阻抗放大器：基于OP-AMP的电流到电压信号转换器

我们通常认为放大器是接收输入电压并产生高幅值输出电压的东西。然而，这个基本放大方案的一个重要变化涉及到电流到电压的转换。

The current-to-voltage amplifier can be described as having a gain, because the output amplitude is equal to the input amplitude multiplied by a number chosen by the designer, but it’s a different type of gain because the output signal and the input signal have different units and therefore cannot be directly compared.

跨阻抗放大器

电流 - 电压放大器也称为跨阻抗或转换放大器，这提醒我们电路执行与电阻相同的基本功能。我们知道从欧姆的法律电压等于电流倍，实际上，普通电阻可用作电流 - 电压转换器 - 如果将电阻连接到电流源，则电阻将产生等于电流的电压multiplied by the “gain,” i.e., the resistance.

下图展示了运放跨阻抗放大器的最基本形式。

此时，您可能会想知道为什么我们需要一个运算放大器如果任务可以通过单个电阻完成，则电流 - 电压转换，并且该图将有助于我们了解跨阻抗放大器电路的优点。

理解跨阻抗放大器的操作

首先，我们必须记住我们用来简化分析的两个重要技巧负反馈运算单位电路:我们可以假设1)没有电流流入运放的输入端，2)非反相输入端电压等于反相输入端电压(这称为虚短路)。

• 由于无电流进入反相输入端子，因此所有输入电流都流过反馈电阻（\（r_f \））到输出节点。
• 非反相输入端接地，因此我们可以假设反相输入端也在地。
• Since one side of the feedback resistor is at (virtual) ground and the other side is connected to \(V_{OUT}\), all we need is Ohm’s law to tell us that the magnitude of the output voltage is equal to the input current times the feedback resistance.

运放跨阻抗放大器的输入输出关系表示为:\(V_{OUT} = - I_{IN} \times R_F \)。这个方程中的负号是一个很重要的细节。如果电流流入电路，反馈电阻上的电压将具有如下图所示的极性:

电阻器的右端比左端电位低，而且由于左端在(虚)地，输出电压将为负。

跨阻抗放大器与电阻

缩减放大器具有与普通电阻相同的增益，但它是电流 - 电压转换的更好方法，因为阻抗特性远远优越。

当我们试图转移一个电压信号时，我们想要一个高输入阻抗的放大器，因为这减少了电压在源输出阻抗上的损失。重要的是要记住，当我们想要传输电流信号时，会发生相反的情况;在这种情况下，输入阻抗应该尽可能低。

由于跨阻抗放大器的反相输入端通过虚拟短路连接到地，因此输入阻抗基本上为零，即使我们使用非常大的反馈电阻以实现非常高的增益。这与普通电阻形成鲜明对比，其中输入阻抗等于电阻，因此非常高的增益对应于非常高的输入阻抗。

跨阻抗放大器在输出阻抗方面也很优越。如果我们只使用电阻器进行电流-电压转换，然后将负载电阻器连接到电流-电压电阻器上，我们有两个电阻并联，增益成为等效电阻。因此，如果我们使用一个大电阻来实现高增益，然后连接一个小得多的负载电阻，增益急剧下降。

另一方面，跨阻抗放大器展示了我们对任何OP-AMP电路期望的低输出阻抗。

互阻抗放大器的稳定性

基于OP-AMP的跨阻抗放大器经常用于放大由光电二极管产生的电流信号。这些实现易受光电二极管的结电容引起的振荡问题的影响;该电容如下图所示，其中光电二极管已被等效电路取代。

我们可以通过加入一个与反馈电阻并联的补偿电容来使光电二极管放大器稳定。有关此主题的更多信息，请参阅AAC的文章互阻抗放大器的稳定性。

总结

• 跨阻抗放大器使用OP-AMP和反馈电阻来产生与输入电流成比例的输出电压。
• 增益的幅度等于反馈电阻，并且由于发生反转，因此电路的传输函数是\（v_ {out} = - i_ {in} \ times r_f \）。
• 与电阻一样，跨阻抗放大器将电流转换为电压，但与电阻不同的是，它具有低输入阻抗和低输出阻抗，即使有非常高的增益。
• 补偿电容与反馈电阻并联，以确保光电二极管应用的稳定性。