Wzmacniacz transimpedancyjny

Aby wyjaśnić w prostych słowach, wzmacniacz transimpedancyjny to obwód konwertera, który przekształca prąd wejściowy na proporcjonalne napięcie wyjściowe. Jak wiemy, przepływ prądu przez rezystor powoduje spadek napięcia na rezystorze, który będzie proporcjonalny do wartości prądu i wartości samego rezystora. Tutaj, zakładając, że wartość rezystora jest idealnie stała, możemy łatwo użyć prawa Ohma do obliczenia wartości prądu na podstawie wartości napięcia. Jest to najbardziej podstawowy konwerter prądu na napięcie, a ponieważ użyliśmy rezystora (elementu pasywnego), aby to osiągnąć, nazywa się go pasywnym konwerterem prądu na napięcie.

Z drugiej strony wzmacniacz transimpedancyjny jest aktywnym konwerterem prądu na napięcie, ponieważ wykorzystuje aktywny komponent, taki jak wzmacniacz operacyjny, do konwersji prądu wejściowego na proporcjonalne napięcie wyjściowe. Możliwe jest również zbudowanie aktywnych konwerterów I na V przy użyciu innych aktywnych komponentów, takich jak BJT, IGBT, MOSFET itp. Najczęściej stosowanym konwerterem prądu na napięcie jest wzmacniacz transimpedancyjny (TIA), więc w tym artykule dowiemy się o tym więcej i jak go używać w projektach obwodów.

Znaczenie wzmacniacza transimpedancyjnego

Teraz, gdy wiemy, że nawet rezystor może być użyty do konwersji prądu na napięcie, dlaczego musimy budować aktywne konwertery prądu na napięcie za pomocą wzmacniacza operacyjnego? Jaką ma przewagę i znaczenie w porównaniu z konwerterami Passive V na I?

Aby odpowiedzieć, załóżmy, że światłoczuła dioda (źródło prądu) dostarcza prąd przez swój zacisk w zależności od padającego na nią światła, a prosty rezystor o niskiej wartości jest podłączony do fotodiody, aby przekształcić prąd wyjściowy w napięcie proporcjonalne, jak pokazano na obrazek poniżej.

Powyższy obwód może działać dobrze w teorii, ale w praktyce wydajność zostanie złuszczona, ponieważ fotodioda będzie również zawierała pewne niepożądane właściwości pojemnościowe zwane pojemnością rozproszoną. Z tego powodu dla mniejszej wartości rezystora sensownego stała czasowa (t) (t = rezystancja wykrywania x pojemność rozproszona) będzie mała, a zatem wzmocnienie będzie niskie. Zupełnie odwrotnie nastąpi, jeśli rezystancja czujnika zostanie zwiększona, wzmocnienie będzie wysokie, a stała czasowa będzie również wyższa niż mała wartość rezystora. To nierównomierne wzmocnienie doprowadzi do niewystarczającego stosunku sygnału do szumua elastyczność napięcia wyjściowego jest ograniczona. Dlatego, aby rozwiązać problemy związane ze słabym wzmocnieniem i szumami, często preferowany jest wzmacniacz transimpedancyjny. Dodając do tego wzmacniacz transimpedancyjny, projektant może również skonfigurować szerokość pasma i reakcję wzmocnienia obwodu zgodnie z wymaganiami projektowymi.

Działanie wzmacniacza transimpedancyjnego

Obwód wzmacniacza transimpedancyjnego jest prostym wzmacniaczem odwracającym z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Wraz ze wzmacniaczem pojedynczy rezystor sprzężenia zwrotnego (R1) jest podłączony do odwracającego końca wzmacniacza, jak pokazano poniżej.

Jak wiemy, prąd wejściowy wzmacniacza operacyjnego będzie wynosił zero ze względu na jego wysoką impedancję wejściową, dlatego prąd z naszego źródła prądu musi całkowicie przejść przez rezystor R1. Rozważmy ten prąd jako Jest. W tym momencie napięcie wyjściowe (Vout) wzmacniacza operacyjnego można obliczyć za pomocą poniższego wzoru -

Vout = -Jest x R1

Ta formuła sprawdzi się w idealnym obwodzie. Ale w rzeczywistym obwodzie wzmacniacz operacyjny będzie składał się z pewnej wartości pojemności wejściowej i pojemności rozproszonej na jego stykach wejściowych, co może powodować dryfowanie wyjściowe i oscylacje dzwonienia, powodując niestabilność całego obwodu. Aby przezwyciężyć ten problem, zamiast jednego elementu pasywnego wymagane są dwa elementy pasywne do prawidłowego działania obwodu transimpedancyjnego. Te dwa elementy pasywne to poprzedni rezystor (R1) i dodatkowy kondensator (C1). Zarówno rezystor, jak i kondensator są połączone równolegle między ujemnym wejściem wzmacniacza a wyjściem, jak pokazano poniżej.

Wzmacniacz operacyjny jest tutaj ponownie podłączony w stanie ujemnego sprzężenia zwrotnego przez rezystor R1 i kondensator C1 jako sprzężenie zwrotne. Prąd (Is) przyłożony do styku odwracającego wzmacniacza transimpedancyjnego zostanie zamieniony na równoważne napięcie po stronie wyjściowej jako Vout. Wartość prądu wejściowego i wartość rezystora (R1) można wykorzystać do określenia napięcia wyjściowego wzmacniacza transimpedancyjnego.

Napięcie wyjściowe jest nie tylko zależne od rezystora sprzężenia zwrotnego, ale ma również związek z wartością kondensatora sprzężenia zwrotnego C1. Szerokość pasma obwodu jest zależna od wartości kondensatora sprzężenia zwrotnego C1, dlatego ta wartość kondensatora może zmieniać szerokość pasma całego obwodu. Aby zapewnić stabilną pracę obwodu w całym paśmie, poniżej przedstawiono wzory do obliczania wartości kondensatora dla wymaganej przepustowości.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _str

W przypadku, gdy R1 oznacza rezystor sprzężenia zwrotnego i f _P jest wymagana szerokość pasma częstotliwości.

W rzeczywistej sytuacji pojemność pasożytnicza i pojemność wejściowa wzmacniacza odgrywają kluczową rolę w stabilności wzmacniacza transimpedancyjnego. Reakcja na wzmocnienie szumu obwodu powoduje również niestabilność z powodu marginesu przesunięcia fazowego obwodu i powoduje zachowanie odpowiedzi skokowej przeregulowania.

Konstrukcja wzmacniacza transimpedancyjnego

Aby zrozumieć, jak używać TIA w praktycznych projektach, zaprojektujmy jeden z wykorzystaniem pojedynczego rezystora i kondensatora i zasymulujmy go, aby zrozumieć jego działanie. Pełny obwód konwertera prądu na napięcie za pomocą wzmacniacza operacyjnego pokazano poniżej

Powyższy obwód wykorzystuje ogólny wzmacniacz małej mocy LM358. Rezystor R1 działa jako rezystor sprzężenia zwrotnego, a kondensator służy jako kondensator sprzężenia zwrotnego. Wzmacniacz LM358 jest podłączony w konfiguracji z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Ujemny pin wejściowy jest podłączony do stałego źródła prądu, a dodatni pin jest podłączony do masy lub potencjału 0. Ponieważ jest to symulacja, a cały obwód ściśle współpracuje jako obwód idealny, wartość kondensatora nie miałaby większego wpływu, ale jest to niezbędne, jeśli obwód jest zbudowany fizycznie. 10 pF to rozsądna wartość, ale wartość kondensatora można zmienić w zależności od szerokości pasma częstotliwości obwodu, które można obliczyć przy użyciu C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p, jak omówiono wcześniej.

Aby zapewnić doskonałe działanie, wzmacniacz operacyjny jest również zasilany z podwójnej szyny zasilającej, która wynosi +/- 12 V. Wartość rezystora sprzężenia zwrotnego jest ustawiona na 1k.

Symulacja wzmacniacza transimpedancyjnego

Powyższy obwód można zasymulować, aby sprawdzić, czy projekt działa zgodnie z oczekiwaniami. Woltomierz prądu stałego jest podłączony do wyjścia wzmacniacza operacyjnego w celu pomiaru napięcia wyjściowego naszego wzmacniacza transimpedancyjnego. Jeśli obwód działa poprawnie, to wartość napięcia wyjściowego wyświetlana na woltomierzu powinna być proporcjonalna do prądu przyłożonego do styku odwracającego wzmacniacza operacyjnego.

Pełne wideo symulacyjne można znaleźć poniżej

W przypadku testowym 1 prąd wejściowy na wzmacniaczu operacyjnym jest podawany jako 1 mA. Ponieważ impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego jest bardzo wysoka, prąd zaczyna płynąć przez rezystor sprzężenia zwrotnego, a napięcie wyjściowe jest zależne od wartości rezystora sprzężenia zwrotnego pomnożonej przez przepływ prądu, zgodnie ze wzorem Vout = -Is x R1 jako omówiliśmy wcześniej.

W naszym obwodzie wartość rezystora R1 wynosi 1k. Dlatego, gdy prąd wejściowy wynosi 1mA, Vout będzie, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt

Jeśli sprawdzimy nasz wynik symulacji prądu do napięcia, jest on dokładnie zgodny. Wyjście stało się dodatnie dzięki efektowi wzmacniacza Transimpedance.

W przypadku testowym 2 prąd wejściowy na wzmacniaczu operacyjnym jest podawany jako 0,05 mA lub 500 mikroamperów. Dlatego wartość napięcia wyjściowego można obliczyć jako.

Vout = -Is x R1 Vout = -0,0005 Amp x 1000 Ohms Vout = 0,5 V

Jeśli sprawdzimy wynik symulacji, to również dokładnie pasuje.

Po raz kolejny jest to wynik symulacji. Budując obwód praktycznie prosta pojemność rozproszona mogłaby wywołać stały w czasie efekt w tym obwodzie. Konstruując fizycznie, projektant powinien uważać na poniższe punkty.

Unikaj płyt stykowych, płyt platerowanych miedzią lub innych płyt z paskami do połączeń. Zbuduj obwód tylko na PCB.
Wzmacniacz operacyjny należy przylutować bezpośrednio do PCB bez uchwytu IC.
Użyj krótkich ścieżek dla ścieżek sprzężenia zwrotnego i źródła prądu wejściowego (fotodioda lub podobne rzeczy, które muszą być zmierzone przez wzmacniacz transimpedancyjny).
Umieść rezystor sprzężenia zwrotnego i kondensator jak najbliżej wzmacniacza operacyjnego.
Dobrze jest stosować rezystory z krótkimi wyprowadzeniami.
Dodaj odpowiednie kondensatory filtrujące z dużymi i małymi wartościami na szynie zasilacza.
Wybierz odpowiedni wzmacniacz operacyjny specjalnie zaprojektowany do tego celu wzmacniacza ze względu na prostotę konstrukcji.

Zastosowania wzmacniacza transimpedancyjnego

Wzmacniacz transimpedancyjny jest najważniejszym narzędziem do pomiaru sygnału prądowego w operacjach związanych z wykrywaniem światła. Znajduje szerokie zastosowanie w inżynierii chemicznej, przetwornikach ciśnienia, różnego rodzaju akcelerometrach, zaawansowanych systemach wspomagania kierowcy oraz technologii LiDAR, która jest wykorzystywana w pojazdach autonomicznych.

Najbardziej krytyczną częścią obwodu transimpedancji jest stabilność konstrukcji. Dzieje się tak z powodu problemów pasożytniczych i związanych z hałasem. Projektant musi uważać przy wyborze odpowiedniego wzmacniacza i powinien uważać, aby stosować odpowiednie wytyczne PCB.