如何确保传感器检测小电流时的无损性？

小电流类传感器（通常指检测pA（皮安）至

μA（微安）级电流的传感器，如光电二极管、电化学传感器、辐射探测器、生物电极等）的检测核心在于：

style="color:#fe2c24">如何将极其微弱的电流信号高效、低噪、线性地转换为可被后续电路（如ADC、MCU）处理的电压信号。

其基本原理可概括为：

✅核心原理：跨阻放大器（Transimpedance
Amplifier,
TIA）

将被测小电流
IinIin
直接注入运算放大器的反相输入端，通过一个
Rf构成跨阻放大电路，在输出端产生一个与输入电流成正比的电压：
Vout=−Iin⋅Rf

/>

🔍

TIA？——三大关键优势

问题（普通方法）	TIA 的解决方案
1. style="color:#fe2c24">传感器输出阻抗极高 />（如光电二极管 GΩ）	→虚地（Virtual />运放负反馈使输入端≈0V，强制传感器工作在 style="color:#fe2c24">零偏置状态， style="color:#fe2c24">避免电压积累导致非线性或暗电流增大
2. />（如1nA 1μV）	→高增益转换 />使用大反馈电阻（），将nA级电流转为mV~V级电压
3. 高阻节点易受干扰	→低阻抗输入节点 />虚地使输入端阻抗≈0，极大抑制电磁干扰（EMI）和漏电流影响

问题（普通方法）

TIA

的解决方案

style="color:#fe2c24">传感器输出阻抗极高

/>（如光电二极管

GΩ）

→虚地（Virtual
/>运放负反馈使输入端≈0V，强制传感器工作在
style="color:#fe2c24">零偏置状态，
style="color:#fe2c24">避免电压积累导致非线性或暗电流增大

2.
/>（如1nA
1μV）

→高增益转换

/>使用大反馈电阻（

），将nA级电流转为mV~V级电压

高阻节点易受干扰

→低阻抗输入节点

/>虚地使输入端阻抗≈0，极大抑制电磁干扰（EMI）和漏电流影响

/>

⚙️

GND

工作过程：
1. 运放通过负反馈维持反相端（−）≈
  0V（虚地）；
2. 由于运放输入电流≈0，全部
  IinIin
  RfRf；
3. 输出电压
  Vout=−Iin⋅RfVout=−Iin⋅Rf
  ，实现电流→电压的线性转换。

/>

📏

关键设计要素

表格

要素	要求	原因
运放选择	超低输入偏置电流（Ib < 会叠加到信号电流中，造成误差； />噪声会淹没微弱信号
反馈电阻 Rf	高阻值（MΩ GΩ） style="color:#fe2c24">低温漂、低电压系数	决定增益（跨阻 = />温漂导致增益漂移
稳定性补偿	并联小电容 Cf （几pF）	抑制因传感器+ 运放输入电容引起的振荡
PCB 布局	使用保护环（Guard />短而屏蔽的输入走线	防止表面漏电（潮湿/污染下可达pA级）

🌰
典型参数：
光电二极管电流：10
nA
Rf=10
V
选用运放：ADA4530-1（Ib
=
fA！）

/>

🧪

典型应用场景

表格

传感器类型	电流范围	应用领域
光电二极管 APD	pA μA	光通信、激光测距、医疗成像
电化学传感器	pA nA	气体检测、血糖仪、水质分析
离子选择性电极	fA nA	生物医学、环境监测
辐射探测器（PMT）	pA μA	核物理、安检、天文观测

/>

❌

常见误区

误区1：“用
style="color:#fe2c24">普通运放+取样电阻测小电流”
/>→
高阻取样电阻引入热噪声，且传感器负载效应严重。
误区2：“TIA
/>→
style="color:#fe2c24">单端输入、单端输出的电流-电压转换器，
style="color:#fe2c24">无需差分结构。
误区3：“反馈电阻越大越好”
/>→
style="color:#fe2c24">需权衡增益与速度。

/>

✅

总结

小电流检测的本质，是通过跨阻放大器（TIA）将
style="color:#fe2c24">微弱电流“无损”地转化为电压。
其成功依赖三大支柱：
/>1.
虚地结构消除传感器负载效应；
/>2.
高阻反馈网络提供高增益；
/>3.
超低偏置电流运放与精密PCB设计抑制噪声与漏电。

这一原理是现代精密仪器、光电子、生物传感等领域的技术基石，也是“从噪声中提取信号”的工程典范。

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如何确保传感器检测小电流时的无损性？

✅核心原理：跨阻放大器（TransimpedanceAmplifier,TIA）

Amplifier,

IinIin​

/>

🔍

/>（如光电二极管

/>（如1nA

/>使用大反馈电阻（

/>

⚙️

IinIin​

/>

📏

<

GΩ）style="color:#fe2c24">低温漂、低电压系数

=

Cf​

+

nA

=

/>

🧪

APD

/>

❌

/>→

/>→

/>→

/>

✅

/>1.

/>2.

/>3.

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Cf