在跨阻放大器（TIA）電路中，瞬態二極管（TVS）通過快速響應和高效鉗位，為敏感元件（如光電二極管、運放）提供關鍵保護。以下是其核心保護作用的詳細解析：

1. 輸入端TVS的保護作用

• 靜電放電（ESD）防護

• 問題：光電二極管或TIA輸入端可能因人體接觸、設備插拔等引入ESD脈沖（電壓可達數千伏），導致運放輸入級或光電二極管擊穿。

• TVS作用：在ESD脈沖到達敏感元件前，TVS迅速導通（響應時間通常為皮秒級），將電壓鉗位在安全范圍內（如±10V），避免元件損壞。

• 類比：類似電路中的“安全閥”，在壓力（電壓）過高時自動開啟，釋放多余能量。

• 過壓浪涌抑制

• 問題：電源波動、雷擊或外部干擾可能引發輸入端過壓（如±20V以上）。

• TVS作用：通過鉗位電壓，限制輸入電壓不超過運放或光電二極管的絕對最大額定值（如±15V），防止元件因過壓而失效。

• 案例：在工業環境中，電機啟動或開關操作可能引發瞬態過壓，TVS可有效保護TIA輸入端。

2. 輸出端TVS的保護作用

• 輸出過壓鉗位

• 問題：TIA輸出可能因反饋網絡故障、運放飽和或外部干擾導致電壓異常升高（如超過供電電壓±5V）。

• TVS作用：鉗位輸出電壓，防止后續電路（如ADC、MCU）因過壓損壞。

• 示例：若TIA輸出端連接ADC，TVS可將過壓鉗位在ADC的耐壓范圍內（如±3.6V），避免ADC輸入級擊穿。

• 防反接保護

• 問題：若TIA輸出端意外接反電源，可能導致運放輸出級損壞。

• TVS作用：在反接瞬間，TVS導通并限制反向電壓，保護運放輸出級。

• 類比：類似電路中的“單向門”，僅允許正向電壓通過，反向電壓被阻止。

3. TVS的關鍵參數與保護效果

TVS的保護效果取決于其核心參數，以下是關鍵參數與保護作用的對應關系：

4. TVS與其它保護元件的對比

結論：TVS是TIA中瞬態過壓保護的首選，而其它元件適用于特定場景或需與TVS配合使用。

5. 實際設計中的注意事項

• 布局優化：

• 輸入端TVS應盡可能靠近光電二極管或TIA輸入引腳，減少寄生電感（影響鉗位速度）。

• 輸出端TVS需避免與反饋網絡相互干擾（如增加濾波電容）。

• 熱設計：

• 高頻或大功率應用中，選擇封裝散熱性能好的TVS（如SMA、DO-218AB），或增加散熱焊盤。

• 參數匹配：

• 確保TVS的擊穿電壓、鉗位電壓和脈沖功率與系統需求匹配。

• 替代方案：

• 對極低漏電要求的應用，可考慮使用ESD保護芯片（如ESD二極管陣列），但需權衡成本和性能。

6. 典型應用場景示例

• 光電探測系統：

• 光電二極管輸出微弱電流（pA~μA級），輸入端TVS需高靈敏度且低漏電，避免干擾正常信號。

• 保護重點：ESD防護、輸入過壓鉗位。

• 高速光通信：

• 輸出端TVS需兼顧高頻特性（低寄生電容），避免影響信號帶寬。

• 保護重點：輸出過壓鉗位、防反接。

• 工業傳感器接口：

• 環境干擾可能導致輸入/輸出過壓，TVS需可靠鉗位并長期穩定工作。

• 保護重點：浪涌抑制、耐久性。

總結

在TIA電路中，瞬態二極管（TVS）的核心保護作用包括：

1. 輸入端：

• 快速響應ESD脈沖，鉗位輸入過壓，保護光電二極管和運放輸入級。

2. 輸出端：

• 鉗位輸出過壓，防止后續電路損壞；提供反接保護，避免運放輸出級失效。

關鍵成功因素：

• 選擇合適的TVS參數（擊穿電壓、鉗位電壓、脈沖功率）。

• 優化PCB布局，減少寄生效應。

• 針對高頻或大功率應用，加強散熱設計。

通過合理使用TVS，可顯著提升TIA系統的可靠性和抗干擾能力，確保其在復雜環境中穩定運行。