一种基于电容器反馈的跨阻放大器及光电传感器

技术领域

本发明涉及跨阻放大器领域，更具体的说是涉及一种基于电容器反馈的跨阻放大器及光电传感器。

背景技术

光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件，其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。在普通的光电传感器应用中，一般采用跨阻放大器放大其输出，跨阻放大器的反馈电阻一般在KΩ到MΩ级别，属于常规阻值器件，其器件工艺和应用已属于成熟常规工艺，电路容易实现和稳定工作。但在某些高需求的光电传感器应用领域，需要对fA级别的微弱光电流进行放大。由于跨阻放大器的特性，为了达到最高的信噪比，不能采用多级放大等常用的电压放大手段。这时需要对电流一次性采用GΩ级别的反馈电阻阻值进行跨阻放大，以得到最高信噪比的输出电压信号。由于该级别的电阻器价格昂贵，精密性和稳定性都不如普通阻值范围的成熟电阻器，若采用GΩ级别的电阻器来达到建立反馈回路的目的，其成本高。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种基于电容器反馈的跨阻放大器及光电传感器。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于电容器反馈的跨阻放大器，包括运算放大器和连接在运算放大器上的负反馈电路，所述负反馈电路由反馈电容组成。发明人在研发过程中创新性的利用了普通电容器本身自带的漏电流特性，在大阻值的反馈电阻跨阻放大器中利用电容器作为反馈回路的电阻反馈器件，代替昂贵的电阻器件，不仅可实现光电传感器的稳定和最高信噪比，且可实现较低成本。反馈电容的漏电流属于fA级别，产生的等效大电阻阻值在100G左右，同时由于其自带电容，等同于将一个100G的电阻和电容并联制造在了一个实际的器件里面，既满足了反馈回路对电阻的需要，也满足了电路稳定性对补偿电容的需要，大大简化了传感器器件的制造工艺和电路体积。

一种基于电容器反馈的跨阻放大器，包括运算放大器和连接在运算放大器上的负反馈电路，所述光电传感器的输出电流小于小于1pA，所述负反馈电路包括连接在运算放大器输出端和反相输入端之间仅连接一反馈电容。不同电容器的漏电流不同，电容参数不同，要将单一电容器运用进具体的跨阻放大器电路中需要考虑对不同的器件参数的需要。现有的跨阻放大器的电阻用于决定反馈大小，电容作为环路补偿元件改善系统环路稳定性。发明人经过大量实验数据的采集和分析，最终找到了能够满足当前跨阻放大器性能需要的合适的电容器，反馈电容的漏电流为fa级别，既可产生等效的大电阻作为反馈电阻，又能拥有合适的电容值提高系统环路的稳定性。即利用电容器的寄生电阻来代替本身所需的电阻器，避免使用大电阻价格极高、生产难度大的问题，降低了成本。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的跨阻放大器利用电容器的寄生电阻来代替本身所需的电阻器，避免使用大电阻价格极高、生产难度大的问题，降低了成本。

2、本发明的光电传感器的信号放大电路采用上述跨阻放大器，不仅可实现光电传感器的稳定和最高信噪比，且可实现较低成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示的一种基于电容器反馈的跨阻放大器，适用于超高增益的应用场景，包括运算放大器和连接在运算放大器上的负反馈电路，所述负反馈电路包括连接在运算放大器输出端和反相输入端之间的反馈电容器。采用本实施例的跨阻放大器，将实际电容器的等效寄生电阻作为高增益跨阻放大器的反馈大电阻。经过大量的实际实验和对器件的筛选，找到了满足电路需求的实际电容器器件。采用本方案的跨阻放大器，虽然在放大电路的放大线性度性能上作出了妥协，但在电路的其他主要性能上得到了提高，电路的信噪比甚至超过了以往的电阻器反馈电路，并大大降低了电路的制造原材料成本。在KΩ到MΩ级别的普通的跨阻放大器中，反馈电阻成本仅几分钱；在超高增益的应用场景的跨阻放大器中，反馈电阻的价格高达几十块；而采用本方案的跨阻放大器，其成本可降至和普通跨阻放大器一样。

反馈电容的漏电流为fa级别，产生的等效大电阻阻值在50G欧姆至200G欧姆之间，既可产生等效的大电阻作为反馈电阻，又能拥有合适的电容值提高系统环路的稳定性。一般的，反馈电容容值在0.1pf至10pf之间，优选的在0.5pf至2之间，既可满足其反馈回路对电阻的需要，也满足了电路稳定性对补偿电容的需要。

需要注意的时，电容器毕竟不是电阻器，其等效电阻的阻值是会随着信号频率的改变而改变。即电容器的等效电阻的阻值线性度远远差于真正的电阻器，其具体影响是在低频信号时，电容器的等效电阻值大，输出的电压幅值就大，而在高频信号时，等效电阻值小。其输出电压幅值小。造成信号的线性度降低。但在某些跨阻放大器应用实例中，光电信号只是作为对目标有无的判别探测信号，对信号在频域的线性度失真并不敏感。因此该性能差别并不影响应用。

实施例2

基于实施例的跨阻放大器，本实施例公开一具体应用实例。

一种光电传感器，如图1所示，包括光电传感器和用于放大光电传感器输出电流的信号放大电路，该光电传感器的输出电流小于小于1pA，信号放大电路即为实施例1的跨阻放大器结构，具体的，光电传感器的电流输入端接运算放大器的负输入端，电流输出端的另一端接运算放大器的正输入端，并将运算放大器正输入端作为参考电压点。由贴片式电容器MLCC的寄生电阻值和电容值构成了电路所需要的反馈电阻Rfb和反馈电容Cfb，反馈电阻Rfb和反馈电容Cfb连接在运算放大器输出端和负输入端之间，形成反馈回路。反馈电阻的作用是确定跨阻放大器的增益，电路输出电压就等于输入电流乘以反馈电阻的阻值。采用本实施例的结构对fA级别的微弱光电流进行放大时，同时满足了电路对超高增益的反馈电阻值的需要和电路稳定性对补偿电容的需要，大大简化了传感器器件的制造工艺和电路体积。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。