光电跨阻放大电路

定义与用途

光电跨阻放大电路（transimpedance amplifier，TIA）是把电流信号转换为电压信号的放大电路。在光电检测中，光敏二极管受光照产生的光电流 $I$ 先经跨阻放大级变为电压 $U$，再经低通滤波和电压增益后送入 ADC。

基本原理

光敏二极管可近似为电流源，其输出电流与入射光功率成正比。跨阻放大电路以运算放大器为核心，把光敏二极管接在反相输入端与地之间，反馈电阻 $R_f$ 跨接在输出端与反相输入端之间，同相输入端接参考电位 $V_{ref}$。理想运放条件下，反相输入端近似等于同相端参考电位 $V_{ref}$，光电流几乎全部流过 $R_f$，因此输出电压为

其中 $I$ 定义为流入运放反相输入节点的光电流，单位 A；$R_f$ 为反馈电阻，单位 $\mathrm{\Omega }$；$U_{out}$ 为输出端对地电压，单位 V；$V_{ref}$ 为同相端参考电位，单位 V。当 $V_{ref}=0$ 时，$U_{out}=-I{R}_f$，负号表示输出极性与光电流方向相反。跨阻增益即 $R_f$，单位 $\mathrm{\Omega }$ 或 V/A。

与后级 ADC 的匹配

跨阻级输出是电压量，便于与后续电压放大、滤波和 ADC 输入范围匹配。选择 $R_f$ 时需使最大光电流对应的输出电压不超过后级电路和 ADC 的输入范围，同时兼顾小信号时的信噪比。若输出电压偏小，可在跨阻级之后再加电压增益级；若输出过大，则需减小 $R_f$ 或增加衰减。

在血氧检测链中的位置

指夹式血氧仪中，红光 LED 与红外 LED 交替照射手指，硅光敏二极管接收透射光并输出电流 $I$。该电流先经跨阻放大器转换为电压 $U$，再经低通滤波抑制带外高频干扰，然后由电压增益级放大，最后由 ADC 转换为数字信号送入 MCU。环境光直流或同频干扰不能仅靠低通消除，血氧分时信号需按实际同步或扣背景处理。温度传感器用于暗电流补偿，其信号也经 ADC 进入 MCU。

条件与适用范围

上述 $U_{out}=V_{ref}-I{R}_f$ 关系建立在运放理想化、光敏二极管电流全部流入反馈支路、反馈电阻为纯电阻且电路稳定工作的前提下。实际电路中光敏二极管存在结电容，反馈支路常需并联补偿电容以保证稳定性；暗电流、偏置电流和噪声会影响小信号测量精度。