电流电压转换器

在电子学领域中，转阻放大器（transimpedance amplifier,简称TIA；又称为电流电压转换器，Current-to-voltage converter）是一种先将输入电流讯号放大，再转换成电压讯号输出的一种放大器，其可由一个至数个运算放大器构成。在理想情况下其输入与输出阻抗皆趋近于0，且可以有效隔离输入的电流讯号与输出的电压讯号。另外，因为输出为电压且输入为电流，其增益，或者说输出与输入的比率即为“转阻(transimpedance)”，并以欧姆为单位表示；且以转阻放大器最简单的类型来说，唯一可以决定该增益的只有高欧姆值反馈电阻器 Rf。值得注意的是由于该放大器为反向组态，其增益必须写成 -Rf，如图(一)所示。

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转阻放大器的应用，主要是放大盖格计数器、光电倍增管、加速计、光电二极管等“电流响应比电压响应更加线性化”的感测器所输出之电流，并将其转换为可被利用的电压讯号。其中以光电二极管为甚—其电流响应的非线性度极少会超过1%。

转阻放大器有许多不同的组态，每一种皆有特定的应用。这些组态的共通点就是需要将微小的电流信号转换成可供后续利用的电压。增益、带宽、电流偏移与电压偏移也会随着转阻放大器所连接的感测器不同，因此须使用不同种类的放大器配置。

## 原理

### 基础概念

就物理上来说，一个与压力会使其所作用的流体流过一个障碍物；然而反过来，一个流动中的流体在接触到一个障碍物时也会产生压力。例如说一个人想要用他的身体使一台正在移动中的汽车停下来，那么这辆“流动”中的汽车就会施加一个压力在这个“障碍物”身上；又比如说你假如正在清洗你的汽车时，假如你在捏住橡胶水管的某处的话，水流就会在那一点形成一个压力点。

在这种思路下，和流量、压力、障碍相似的物理量事实上是相关联的。通常来说“和压力类似的输出物理量”会正比于“和流动类似的输入物理量”。如此一来就好像是流动物理量被转换成压力物理量。而若要产生压力，我们必须在流体流动的路径中置放一个障碍物。

### 在电路学上的类比

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将同样的观念套用在电路中，可以观察到假如有一个电流 Iin 流过一电阻器 R，则后者会阻碍前者的流动，并在其两端产生一个可以由欧姆定律来决定的等比例电压压降 VR = R $\cdot$ Iin。在这种电流电源电路， VR 事实上就扮演着输出电压 Vout，然而要注意的是电压压降 VR 并不是由电阻器本身所产生，而是输入电流信号源的响应输出电压信号源。如此一来，电流 Iin 即转换为等比例之电压 V out；而电阻器 R 则作为一个转换率 $K=\tfrac {V_{out}}{I_{in}}$、单位为欧姆的“电流电压转换器”。图(二)为这一个电路的电路图，其中输入电流以绿色循环表示，而输出电压则以红色长杆来表示。

由于通过“电流源”和“电阻器”两者的电流与电压皆相同，我们可以用相同的I-V曲线来代表这两者的电流-电压关系，并将这个关系绘制成如同图(三)中的图表。对于在斜直线上任一个工作点A，它代表了当输入电流在某一特定值 Iin 时所对应到的输出电压 Vout。当输入电流 Iin 产生变化时，工作点A就会在 I-V 曲线上移动。由此可知通过电阻 R的I-V曲线之斜率，即为转换器转阻的倒数。另一种可行的解释则是当输入电流产生变化时，电阻上的电压变化为从左到右连续地递减，如同图(四)中以红色三角形。从图中我们可以看出上半三角形之斜边的斜率代表输入电流 Iin，而下半三角形之斜边的斜率一样是输入电流 Iin，只不过需要加上负号，因为电流的方向是相反的。

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## 转阻放大器之应用

### 被动版本―作输出信号源使用

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#### (A)电流控制电压源

虽然有足够的恒定电压源的性质（主要和次要的电池），如果一个电流源可用，但需要有一个电压源，它可以建成。为此，一个电流电压转换器后电流源连接，根据下面的公式建设：

电压源=电流源+电流对电压转换器

这种思想的最简单的实现如图5，并行连接一个电阻R，IIN（诺顿定理）。

如果负载是理想的（也就是说，它具有恒定的阻力），VOUT = R.IIN将会产生恒定电压。如果输入电流源是不完善的，这个电压将影响到电流（见下面有关被动版本不完善的部分）。

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复合被动转换器：同样，在微分电容，电感集成，反对数转换器等流行的无源电路，电阻作为电流-电压转换器的行为：

V到- V的CR微分= V型，I C的区别 +I- V转换器

V到- V的LR积分 = V到I L积分 + I至V转换器

DR反对数转换器的V -至V = V - I D反对数转换器+ I -到- V

例如，一个典型的电容电阻的区别是建立在图6，使用简单的电压，电流的电容的区别（裸电容）和电流 - 电压转换器。

在这些电路中，电阻R作为一个电流电压转换器引入一些电压下降，从而影响激励电压V V R的。因此，当前的跌幅，会出现一个错误（见约被动版本不完善的部分）。

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晶体管的集电极电阻。晶体管是电流控制装置。因此，要获得其输出电压，集电极电阻连接在输出电路的晶体管级（图 7）。这种技术的例子是共射，共基差分放大器，晶体管开关等。

晶体管电压输出=晶体管电流输出+电流对电压转换

晶体管的集电极电阻作为一个电流电压转换器。

由于电压降VRC是浮动的，通常的互补性（电源）电压降VCE是用作输出。因此，这些晶体管电路反相（当输入电压升高时，输出电压下降和VV）

类似的技术用于获取晶体管的发射极电压（见下面一节有关负反馈电流源）。这种技术的例子是使用串联负反馈的晶体管电路。

晶体管的射极电阻作为一个电流电压转换器。

#### 电流到电压转换器作为输入设备

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复合电流表。今天的测量仪器（DVM，模拟 - 数字转换器等），主要是电压表。如果有需要测量的电流，一个简单的电流 - 电压转换器（分流电阻）是连接之前，电压表（图 8）。这电流表组成的装置两部分组成：

复合式电表=电流电压转换器+电压表

分流电阻在电表中是用来用来作为电流对电压转换用。

虽然目前的版本是以理想电流测量解决方案，而一般的万用电表则是使用被动方式去量测较大的电流（见下面关于电源的考虑部分）。

#### I至V转换为负反馈的V型，电流转换器的一部分

负反馈系统具有独特的属性，以扭转在反馈回路中连接的电子转换器的因果关系。例子：一个运算放大器的非反相放大器实际上是一种颠倒的分压器，运算放大器集成是一个颠倒的差异化和VV，运算放大器的对数转换器是一个颠倒antilogarithmic的转换器和VV等

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同样，运算放大器的电压电流转换器（电压控制恒流源）通过使用一个负反馈内置实际上是一个反向电流-电压转换器。这个强大的思想是实施图9（电流源晶体管版）和图10（电流源的运算放大器版）是在负反馈回路连接一个电流电压转换器（裸电阻 R）。压降V R成正比的负载电流I是与输入电压V Z相比。为此，两个电压串联和它们的区别DV = V Z - V R的应用调节元素的输入部分（晶体管T的基极-发射极结或运放的差分输入OA）因此，调节元素建立电流I = V R / R≈V Z / R通过改变其输出电阻，使零电压差DV。这样，输出电流输入电压成正比;作为电压 - 电流转换器的整个电路的行为。

#### 非理想无源版本

被动的电流 - 电压转换器（所有的无源电路）是不完善的原因有两个：

电阻R 的压降VR的影响电流IIN，电阻R消耗能量从输入源（图11）。有个矛盾存在在这个电路中，从一个侧面压降VR的是有用，因为它作为一个输出电压，从另一个侧面，这个压降是有害的，因为它能有效地改变当前的实际创造的电压VRi。在这种安排下，电压差是由VIN-VR的决定，而不是目前的电压VIN（电阻Ri实际行为反向的电压对电流转换器）。这样的结果，造成电流的损耗。

负载电阻。此外，如果负载具有一定的有限性（而不是无限的阻力），将目前我的一部分，通过它转移。因此，无论是电流I和电压V OUT减少。问题是，从被动电路负载消耗的能源。

### 进阶结构

#### 改进： 有功电流电压转换器

##### 非电域： 卸下相当于“抗干扰”的干扰

积极的电流电压转换器的版本是基于一个知名的技术，从人类的常规，在这里我们补偿相当于“反 数量”自己造成的不良影响。实施这个想法是使用一个额外的电源，“帮助”的主要来源，由本地 内部不受欢迎的数量（反过来说，在对面的积极的电压-电流转换器造成的损失作出赔偿，额外的电源补偿损失数量由外部 引起的）。例如：如果我们已经打破了我们的窗口，在冬天我们打开加热器的热损失补偿; VV，在夏天，我们在开启空调。更多的例子：如果我们的汽车与其他汽车碰撞来，保险公司补偿其他汽车造成的损害。如果我们给他人造成麻烦，我们深表歉意。如果我们花的钱从一个账户，存入资金。（更多的例子，请参阅虚接地。）在所有这些情况，我们准备了“备用”的资源来使用，如果有需要，以弥补内部损失。

##### 电气域： 卸下电压相当于“反电压”

电气实施。首先，要展示如何应用这个强大的基本思路是，以改善被动的电流-电压转换器，用于等效电路（图12）。在这种主动电流-电压转换器，电压降VR透过内部 电阻R补偿添加同样的电压VH=VR到输入电压VIN。为此，下列额外的电压源BH是与电阻串联连接。它的“帮助”输入电压源，因此，不需要的电压VR和电阻R消失（A点变成一个虚拟的地面）。

主动的I-V转换器=无源 I至V转换器 +“帮助”电压源

从哪里得到输出？补偿量的大小是经常被用来衡量 间接的初始数量（使用规模的一个例子-称重）。这个想法是应用在主动电流对电压转换器的电路连接的负载补偿电压源BH，而不是电阻。这样的安排有两个好处：第一，连接负载的共同点;第二，它消耗的能量从额外来源，而不是从输入源。因此，它可能具有较小的阻抗。

#### 运算放大器实现

上面的基本思路是实施在运算放大器的电流-电压转换器（图13，14）。在这个电路中，运算放大器的输出与输入电压源串联，运算放大器的反相输入连接因此A点，运算放大器的输出电压和输入电压的总和。

从其他角度来看，从图可以看得出来，运算放大器的输出与补偿电压源BH和电阻R串联连接。因此，运算放大器的输出电压和电压降VR相减，这个减法，是A点的背后所代表的结果（它作为一个虚拟的地面行为）。

运算放大器I-V转换器=被动的I-V转换器 +“帮助”运算放大器

#### 运算放大器电路的操作

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零输入电源，在没有电压下降或电流在输入电压的结果（点击探索）。

正输入电压。如果输入电压VIN增加的电压高出地面，输入电流IIN 开始流经电阻R。因此，压降VR的电阻两端的出现，A点开始提高其潜在的（输入源“拉“A点向上朝正电压V IN）。只有运算放大器“观察”，并立即作出反应：降低其输出电压下的吸吮当前地面。打个比方，运算放大器的“拉”点向负电压- V，直到它管理为零，其潜在的（建立一个虚拟的地面）。它通过连接一个负电源系列电源- V的输入电压V IN，产生的电压的一部分，这项工作。两个电压源串联，在同一方向（顺时针遍历循环，种种迹象都- V IN + - V OA +），使他们的电压增加。然而，就在地上，他们有相反的极性。

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负输入电压。如果输入电压VIN降低到比参考点还要低的电压V，通过输入电流流在相反方向的电阻R（图15）。因此，电阻两端的压降VR的出现再次A点开始下降的潜力（现在，输入源“拉”对负电压-VIN A点向下）。运算放大器的“观察”，并立即作出反应：它增加了它的输出电压高于地面“推”目前。现在，运算放大器的“拉”的地步朝正电压+V一个，直到它管理再次为零势VA（虚拟地）。为此，运算放大器使部分正电源+V与输入电压V IN-产生的电压。这两个电压源再次连接，在同一方向，（顺时针遍历循环，+VIN-，+ VOA-），使他们的电压增加。然而，就在地上，他们有上述的极性相反。

结论 在运算放大器的电流 - 电压转换器电路，运算放大器将尽可能多的电压输入源电压，电阻两端的失去。运算放大器补偿这个内部电阻 造成当地损失（相反，在相反的运算放大器的电压-电流转换器，运算放大器的补偿由 外部负载造成的损失）。

#### I-V的转换器与跨阻放大器

有功电流电压转换器是一个电流输入和输出电压的放大器。该放大器的增益由电阻R（K =VOUT / IIN= R）代表，它以欧姆为单位表示。这就是为什么这条线路被命名为转换放大器 或转阻放大器。这两个词是用于指定电路的考虑。

## 参见

- 虚拟接地，电压至电流转换器
- 米勒定理的应用

## 外部链接

- What's All This Transimpedance Amplifier Stuff, Anyhow?
- Low Current Measurements
- Using a low noise JFET
- Bootstrapping a large Photodiode