Amplificator de transimpedanță

Pentru a explica în cuvinte simple, un amplificator de transimpedanță este un circuit convertor care convertește curentul de intrare într-o tensiune de ieșire proporțională. După cum știm, atunci când curentul curge printr-un rezistor, acesta creează o cădere de tensiune peste rezistor, care va fi proporțională cu valoarea curentului și valoarea rezistorului în sine. Aici, presupunând că valoarea rezistorului este în mod ideal constantă, putem folosi cu ușurință Legea lui Ohms pentru a calcula valoarea curentului pe baza valorii tensiunii. Acesta este cel mai simplu convertor curent-tensiune și, deoarece am folosit un rezistor (element pasiv) pentru a realiza acest lucru, este numit convertor curent pasiv la tensiune.

Pe de altă parte, un amplificator de transimpedanță este un convertor de curent activ în tensiune, deoarece folosește o componentă activă, cum ar fi Op-Amp, pentru a converti curentul de intrare într-o tensiune de ieșire proporțională. De asemenea, este posibil să construiți convertoare active I-V folosind alte componente active, cum ar fi BJT-uri, IGBT-uri, MOSFET-uri etc. Cel mai frecvent utilizat convertor curent-tensiune este Transimpedance Amplifier (TIA), deci în acest articol vom afla mai multe despre acesta și cum să-l utilizați în proiectele dvs. de circuite.

Importanța amplificatorului de transimpedanță

Acum că știm că chiar și un rezistor poate fi folosit pentru a converti curentul în tensiune, de ce trebuie să construim un curent activ în convertoare de tensiune folosind Op-Amp? Ce avantaj și importanță are față de convertoarele V pasive în I?

Pentru a răspunde, presupunem că o diodă fotosensibilă (sursa de curent) furnizează curent pe terminalul său, în funcție de lumina care cade pe el și un simplu rezistor de mică valoare este conectat pe fotodiodă pentru a converti curentul de ieșire la o tensiune proporțională, așa cum se arată în imaginea de mai jos.

Circuitul de mai sus ar putea funcționa bine prin teorie, dar în practică performanța va fi decorticată, deoarece foto-dioda va consta și din unele proprietăți capacitive nedorite numite capacitate rătăcită. Datorită acestui fapt pentru o valoare mai mică a rezistorului de sens, constanta de timp (t) (t = rezistența de sens x capacitatea de rătăcire) va fi mică și, prin urmare, câștigul va fi mic. Exact opusul se va întâmpla dacă rezistența senzorială este crescută, câștigul va fi mare și constanta de timp va fi, de asemenea, mai mare decât valoarea mică a rezistorului. Acest câștig inegal va duce la un raport semnal / zgomot insuficientiar flexibilitatea tensiunii de ieșire este limitată. Prin urmare, pentru a remedia problemele legate de câștig slab și zgomot, este adesea preferat un amplificator de transimpedanță. În plus, la un amplificator de transimpedanță, proiectantul poate configura lățimea de bandă și răspunsul de câștig al circuitului conform cerințelor de proiectare.

Funcționarea amplificatorului de transimpedanță

Circuitul amplificatorului de transimpedanță este un amplificator inversor simplu cu feedback negativ. Împreună cu amplificatorul, un singur rezistor de feedback (R1) este conectat la capătul inversor al amplificatorului, așa cum se arată mai jos.

După cum știm, curentul de intrare al unui Op-Amp va fi zero datorită impedanței sale mari de intrare, prin urmare, curentul de la sursa noastră de curent trebuie să treacă complet prin rezistorul R1. Să considerăm acest curent ca fiind. În acest moment, tensiunea de ieșire (Vout) a Op-Amp poate fi calculată folosind formula de mai jos -

Vout = -Este x R1

Această formulă va fi valabilă într-un circuit ideal. Dar într-un circuit real, amplificatorul operațional va consta dintr-o anumită valoare a capacității de intrare și a capacității de rătăcire pe pinii de intrare, care ar putea provoca deriva ieșirii și oscilații de apel, făcând întregul circuit instabil. Pentru a depăși această problemă, în loc de o singură componentă pasivă, sunt necesare două componente pasive pentru funcționarea corectă a circuitului de transimpedanță. Aceste două componente pasive sunt rezistorul anterior (R1) și un condensator suplimentar (C1). Atât rezistența, cât și condensatorul sunt conectate în paralel între amplificatoarele intrare negativă și ieșire, așa cum se arată mai jos.

Amplificatorul operațional aici este din nou conectat în stare de feedback negativ prin rezistorul R1 și condensatorul C1 ca feedback. Curentul (Is) aplicat pinului inversor al amplificatorului de transimpedanță va fi convertit în tensiune echivalentă pe partea de ieșire ca Vout. Valoarea curentului de intrare și valoarea rezistorului (R1) pot fi utilizate pentru a determina tensiunea de ieșire a amplificatorului de transimpedanță.

Tensiunea de ieșire nu depinde doar de rezistorul de feedback, dar are și o relație cu valoarea condensatorului de feedback C1. Lățimea de bandă a circuitului este dependentă de valoarea condensatorului de feedback C1, prin urmare această valoare a condensatorului poate modifica lățimea de bandă a circuitului general. Pentru funcționarea stabilă a circuitului pe întreaga lățime de bandă, formulele de calcul al valorii condensatorului pentru lățimea de bandă necesară sunt prezentate mai jos.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

În cazul în care, R1 este rezistența de feedback și f _p este frecvența lățimii de bandă necesară.

Într-o situație reală, capacitatea parazită și capacitatea de intrare a amplificatorului joacă un rol vital în stabilitatea amplificatorului de transimpedanță. Răspunsul la câștig de zgomot al circuitului creează, de asemenea, instabilitate datorită marjei de fază a circuitului și provoacă un comportament de răspuns la depășirea pasului.

Proiectare amplificator transimpedanță

Pentru a înțelege cum să utilizați TIA în modele practice, să proiectăm unul folosind un singur rezistor și condensator și să-l simulăm pentru a înțelege funcționarea acestuia. Circuitul complet pentru convertorul de curent în tensiune folosind amplificator Op este prezentat mai jos

Circuitul de mai sus folosește un amplificator generic de mică putere LM358. Rezistorul R1 acționează ca un rezistor de feedback și condensatorul servește scopului unui condensator de feedback. Amplificatorul LM358 este conectat într-o configurație de feedback negativ. Pinul de intrare negativ este conectat la o sursă de curent constant, iar pinul pozitiv este conectat la masă sau în potențial 0. Deoarece este o simulare și circuitul general funcționează îndeaproape ca un circuit ideal, valoarea condensatorului nu ar afecta prea mult, dar este esențial dacă circuitul este construit fizic. 10pF este o valoare rezonabilă, dar valoarea condensatorului poate fi modificată în funcție de lățimea de bandă de frecvență a circuitelor, care poate fi calculată folosind C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p așa cum am discutat mai devreme.

Pentru o funcționare perfectă, amplificatorul opțional primește, de asemenea, energie de la o sursă de alimentare dublă, care este de +/- 12V. Valoarea rezistenței de feedback este selectată ca 1k.

Simulator amplificator transimpedanță

Circuitul de mai sus poate fi simulat pentru a verifica dacă proiectarea funcționează conform așteptărilor. Un voltmetru DC este conectat la ieșirea amplificatorului op pentru a măsura tensiunea de ieșire a amplificatorului nostru de transimpedanță. Dacă circuitul funcționează corect, atunci valoarea tensiunii de ieșire afișată pe voltmetru ar trebui să fie proporțională cu curentul aplicat pinului inversor al amplificatorului op.

Videoclipul complet de simulare poate fi găsit mai jos

În cazul de testare 1, curentul de intrare de pe amplificatorul operațional este dat ca 1mA. Deoarece impedanța de intrare a amplificatorului opțional este foarte mare, curentul începe să curgă prin rezistorul de feedback și tensiunea de ieșire este dependentă de valoarea rezistorului de feedback de câte ori curge curentul, guvernată de formula Vout = -Is x R1 ca am discutat mai devreme.

În circuitul nostru, valoarea rezistorului R1 este 1k. Prin urmare, atunci când curentul de intrare este 1mA, Vout va fi, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt

Dacă verificăm rezultatul simulării curentului la tensiune, acesta se potrivește exact. Ieșirea a devenit pozitivă prin efectul amplificatorului de transimpedanță.

În cazul de testare 2, curentul de intrare în amplificatorul op este dat ca 0,05mA sau 500 microamperi. Prin urmare, valoarea tensiunii de ieșire poate fi calculată ca.

Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ohms Vout =.5 Volt

Dacă verificăm rezultatul simulării, acesta se potrivește exact.

Din nou, acesta este un rezultat de simulare. În timp ce construiți circuitul, capacitatea de rătăcire practic simplă ar putea produce un efect de timp constant în acest circuit. Proiectantul trebuie să fie atent cu privire la punctele de mai jos atunci când construiește fizic.

Pentru conexiune, evitați panourile sau plăcile placate cu cupru sau orice alte plăci cu benzi Construiți circuitul numai pe PCB.
Op-Amp trebuie să fie lipit direct pe PCB fără suport IC.
Utilizați urme scurte pentru căile de feedback și sursa de curent de intrare (fotodiodă sau lucruri similare care sunt necesare pentru a fi măsurate de un amplificator de transimpedanță).
Plasați rezistorul de feedback și condensatorul cât mai aproape posibil de amplificatorul operațional.
Este bine să folosiți rezistențe scurte cu plumb.
Adăugați condensatori de filtrare corespunzători cu valori mari și mici pe șina de alimentare.
Alegeți un amplificator opțional adecvat special conceput în acest scop al amplificatorului pentru simplitatea designului.

Aplicații ale amplificatorului de transimpedanță

Un amplificator de transimpedanță este cel mai esențial instrument de măsurare a semnalului de curent pentru funcționarea legată de detectarea luminii. Este utilizat pe scară largă în ingineria chimică, traductoare de presiune, diferite tipuri de accelerometre, sisteme avansate de asistență a șoferului și tehnologia LiDAR care este utilizată în vehiculele autonome.

Cea mai critică parte a circuitului de transimpedanță este stabilitatea proiectării. Acest lucru se datorează problemelor legate de paraziți și de zgomot. Proiectantul trebuie să fie atent la alegerea amplificatorului potrivit și trebuie să aibă grijă să folosească liniile directoare PCB adecvate.