IV转换放大器/电压信号放大器/光电放大器 原理图及PCB设计分析 | 极寒钛

【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， 在Rf上所过的电流只有Is，因此，此时能够实现将I转换为V。

【硬件电路设计】

下面是 IV转换放大器 原理图和PCB的概览，PCB上的器件全部使用带3D模型的封装 方便配合结构来设计，接下来会具体介绍细节。

• 具体介绍      接下来重点讲解一下这里的T型网络和补偿电容的设计。

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 R3的存在，会使电路的噪声增益变大）

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Cs，Cs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。

那么这个电容的具体值应该如何来取呢？ 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。

以下是设计的源文件，仅供参考：