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IV转换使用的场合非常之多#xff0c;尤其是电流型输出的传感器#xff0c;比如光敏二极管、硅光电池等等#xff0c;这些传感器输出的电流信号非常微弱#xff0c;我们如果需要检测它们#xff0c;首先得…【前言】

今天给大家分享一下关于IV转换放大器的相关电路设计心得。

IV转换使用的场合非常之多尤其是电流型输出的传感器比如光敏二极管、硅光电池等等这些传感器输出的电流信号非常微弱我们如果需要检测它们首先得将电流信号转换为电压信号然后经过放大、滤波、射随器等系列操作之后送给采集端。

IV转换作为最前端尤为关键它的性能好坏直接影响了整个采集系统所以我们在设计这部分的时候必须得谨慎、细致考虑每个细节。

那首先让我们来认识一下IV转换的基本原理。

【工作原理简介】

I-V转换最简单的方式就是串一个电阻如下图a所示在采集微弱电流信号的时候这种方式的弊端非常明显第一、当Is变化的时候Vs必然也会变化这个变化会对电流源造成直接影响第二、如果我们要采集该电压值必然后端会连接电路该电路的介入相当于并联一个电阻在R两端使该部分的等效电阻发生变化。

不过如果我们需要采集的电流是大电流例如10A这个时候采用该电路是比较可行的方案此时R我们可以使用很小的采样电阻(毫欧级的)该电阻所分的电压对系统的影响是很小的之后我们再将Vs电压进行相应的放大等处理。

那么如果我们需要采集的是微弱电流信号需要怎么做呢此时就需要加上运放如下图b我们来简单分析一下。

由于运放的虚短虚断关系无论Is如何变化P点的电势都是虚地的换句话说P点的电势不受Is的影响

【硬件电路设计】

1、T型网络。

首先讲为什么这里采用T型网络当我们所采的电流非常非常微弱的时候就需要很大的电阻才能转换为所需的信号量级但是该电阻如果过大电阻本身温度系数、电压系数和介质吸收现象会造成实际阻值和测量阻值不同从而造成测量误差简单理解电阻过大实际应用中不能保证它的阻值恒定。

因此电阻的大小是受限的此时我们就可以采用如下图所示的T型网络从而用较小电阻实现了较大的增益倍数最后公式如下推导过程大家有兴趣可以去了解。

当然T型也有自身的问题由于两边电阻R1

补偿电容

这里的电容C3有几个作用第一是相位补偿。

首先让我们看到反相端这里我们外接传感器一般一端就接在该反相端作为信号输入另外一端接地例如下图这样光敏二极管也就是说该传感器是并联在反相端和地之间的而这种传感器又必然存在结电容具体大小可参考手册换句话说反相端会增加一个对地电容除此之外

运放反相端自身的电容和布线的分布电容也会加在这上边我们统一为CsCs和Rf将引起输出电压相位滞后一但输入信号的频率很高高频特性受这个Cs影响将变得很差同时

过大的Rf阻值和Cs也存在引起发生振荡的可能性。

因此我们可以增加一个Cf来作相位补偿此时Cf和传感器内阻会起一个相位超前作用

从而把Cs引起的相位滞后给“拉回来”。

另外还可以通过该电容来降低反馈电阻上的等效噪声带宽以及相应的滤波作用。

首先我们需要知道传感器上面的结电容大小不同的传感器结电容肯定有所差异例如2CU8300这个型号的光敏二极管结电容为25pF运放的反相端的自身输入电容和板上的分布电容我们预估经验值在3~10pF因此这里反相端对地电容值大约就在三十几pF。

此时Cf我们就可以取接近三十几pF的大小。

该值不应取太大会增加电路的响应时间。

2、IV转换之后后级选用低噪声的放大器将信号放大到我们所需的值这里可以采用精密电位器来调节放大倍数。

此外在输出端可以参照下图加上偏置电路从而方便调整到我们所需最后再跟上一级射随器提高电路的稳定性。

3、关于PCB布局布线。

尤其需要重视IV转换中的反馈支路该部分的器件摆放尽量紧凑以使走线尽可能的短目的在于减小板间的分布电容从而减小对输出信号相位的影响。