激光管里的 PD，到底该怎么采？跨阻放大器和「串个电阻」对比

有人问了一个很具体的问题：激光管里封装的 PD，漏电流能反映光强，范围 1μA 到 1mA。别人都说用跨阻放大器，但那样光越强电压越低，方向是反的。能不能直接串个电阻，用电阻上的小电压再同相放大一下？

两个问题，分开答。

一、反相不是问题。 软件里减一下就行，不值得为它换拓扑。

二、串电阻能用，但 μA 那一段会废。 不是原理错，是信噪比不够。

一、先把 PD 当成一个电流源

反向偏置的光电二极管，输出电流与光强基本成正比，内阻极高，当电流源看就行。

麻烦不在「怎么把电流变成电压」，而在这个电流要跨 3 个数量级：1μA 到 1mA 是 1000 倍，60dB。任何一套固定增益，都不可能两头都好看。

二、左边为什么是标准答案

跨阻放大器的关键在于「虚地」：运放反相端被反馈网络钳在 2.5V，而 PD 阴极接 +7V，所以 PD 两端永远是 4.5V 反偏。

这一点带三个好处：

• 结电容两端电压不变，不用充放电 → 带宽高、响应快
• 反偏固定，结电容固定，线性好
• 输出是低阻抗的电压源，直接磕给 ADC 没问题

代价就一个：输出是 2.5V − I×Rf，光越强电压越低。

三、反相怎么办

三个办法，从省事到麻烦：

1. 软件减：I = (2.5 − Vout) / Rf，一行代码
2. 加一级反相器：多一颗运放，多一份噪声和失调
3. 换同相 TIA：PD 接同相端，反相端经 Rf 到地，输出就是 I×Rf

第三种看着最优雅，但 PD 的结电容直接挂在输入端，容易自激，需要加补偿电容；而且同相端有共模电压，对运放输入范围有要求。

除非你的 ADC 只能采正值、又不想写减法，否则不建议折腾。

四、右边电路，问题在哪

原理上成立：电流流过 1k，V = I×R，然后把这个小电压放大。但按图上的参数算一下，四个问题。

① 增益分错了地方。

1μA × 1k = 1mV，再经 R39/R40 分压剩 0.5mV，×6 后是 3mV。12 位 ADC、3.3V 参考，一个码是 0.8mV，3mV 也就 4 个码。噪声一盖，什么都没了。

② 分压白送一半信号。

R39 和 R40 两个 1k 串在同相输入端，本质是个 1/2 分压器。想要信号，就直接进同相端，不要先砍一半。

③ 失调被一起放大。

RS722 这类运放，失调电压典型值在 0.5mV 到 3mV 之间。乘 6 倍就是 3–18mV，相当于 1–6μA 的假信号，而且随温度漂。你拿它测 1μA，测的其实是运放自己。

④ 地端取样，地噪直通。

采样电阻放在地端，地线上任何一点弹跳，全部无衰减进 ADC。TIA 是虚地输入，这一点天然优于前者。

再补一个细节：按图上画的，反相端只经 R41 回到输出，没有下地电阻，那它其实是电压跟随器，增益为 1，R41 等于没接。 要 ×6，反相端还得加一个 1k 到地。

五、算笔账

假设 12 位 ADC、3.3V 参考（LSB ≈ 0.8mV）：

两边刚好互补：左边 μA 段舒服，125μA 就撞底；右边 mA 段能看，μA 段贴地。

六、真正要解的是 60dB

拓扑只是手段，真正需要解决的是：要么分段，要么换器件。

方案 A：分段增益 用模拟开关切 Rf（1M / 100k / 10k），单片机根据当前量级自动换挡。切换瞬间会丢几个点，但覆盖范围最宽。

方案 B：对数放大器 LOG114、AD8304 这类，把 60dB 的动态范围直接压成 0–2V 的线性输出。一个数量级一截，读数不用换挡，代价是精度和温度漂移要标定。

方案 C：换高分辨率 ADC ADS1115（16 位，LSB ≈ 0.125mV），配 Rf=20k 就能把 1μA 盖到 200μA。成本二十块，比调运放省心。

方案 D：降低要求 如果只是做 APC 反馈、看光强相对变化，根本不需要绝对精度。这时候右边电路能跑，只要把分压去掉、增益调大、软件做个两点校准。

七、如果非要串电阻

给你一个能用的版本：

• 采样电阻改 10k，1μA 就有 10mV
• 去掉 R39/R40 分压，信号直接进同相端
• 增益做到 50–100 倍，同时选低失调运放（Vos < 100μV）
• ADC 换成 16 位
• 软件做两点校准：激光关闭时记零点，满光时记满度
• 采样电阻并联 10–100pF 电容，滤掉高频噪声
• PD 引线越短越好，PCB 上加 Guard 环

八、结论

• 左边是对的，反相用软件解决，一行代码的事
• 右边不是不能用，是精度不够，μA 段只有几个码
• 别纠结拓扑，先算你的动态范围和精度要求
• 如果两头都要，分段增益或对数放大，二选一

最后一个容易被忽略的点：PD 的暗电流随温度每升 10℃ 大约翻一倍。高温下测弱光，零点会自己往上跑。软件里留个温度补偿的余量，比在电路上死磕有用。