Transimpedancia erősítő

Egyszerű szavakkal elmagyarázva, hogy a transzimpedancia erősítő egy átalakító áramkör, amely a bemeneti áramot arányos kimeneti feszültséggé alakítja. Mint tudjuk, amikor az áram egy ellenálláson áramlik, az ellenálláson feszültségesés keletkezik, amely arányos lesz az áram értékével és magával az ellenállás értékével. Ha feltételezzük, hogy az ellenállás értéke ideálisan állandó, akkor az Ohms törvény segítségével könnyen kiszámíthatjuk az áram értékét a Feszültség értéke alapján. Ez a legalapvetőbb áram-feszültség átalakító, és mivel ennek megvalósításához ellenállást (passzív elemet) használtunk, passzív áram-feszültség átalakítónak hívják.

Másrészt a transzimpedancia-erősítő aktív áram-feszültség-átalakító, mivel olyan aktív komponenst használ, mint az Op-Amp, hogy a bemenő áramot arányos kimeneti feszültséggé alakítsa. Az aktív I-V átalakítók más aktív komponensek segítségével is felépíthetők, például BJT-k, IGBT-k, MOSFET-ek stb. A leggyakrabban használt áram-feszültség átalakító a Transimpedance Erősítő (TIA), így ebben a cikkben többet megtudunk róla, és hogyan kell használni az áramköri tervekben.

A transzimpedancia erősítő fontossága

Most, hogy tudjuk, hogy még egy ellenállást is lehet használni az áram feszültséggé alakítására, miért kell aktív áramot feszültség-átalakítókká építeni az Op-Amp segítségével? Milyen előnye és jelentősége van a Passzív V I konverterekkel szemben?

Annak megválaszolásához, hogy feltételezzük, hogy egy fényérzékeny dióda (áramforrás) áramot szolgáltat a terminálján, a rá eső fénytől függően, és a fotodiódára egyszerű, alacsony értékű ellenállást csatlakoztatnak, hogy a kimeneti áramot arányos feszültséggé alakítsa át, amint az a kép alatt.

A fenti áramkör elméletileg jól működhet, de a gyakorlatban a teljesítményt dekortikálják, mivel a fotodióda szintén tartalmaz néhány nem kívánt kapacitív tulajdonságot, úgynevezett kóbor kapacitást. Ennek köszönhetően az érzékelő ellenállás kisebb értékénél az időállandó (t) (t = érzékelési ellenállás x szórt kapacitás) kicsi lesz, ezért az erősítés alacsony lesz. Pontosan az ellenkezője történik, ha az érzékelési ellenállást növelik, az erősítés nagy lesz, és az időállandó is nagyobb lesz, mint a kis ellenállás értéke. Ez az egyenetlen erősítés elégtelen jel / zaj arányhoz vezetés a kimeneti feszültség rugalmassága korlátozott. Ezért a gyenge erősítéssel és a zajjal kapcsolatos problémák megoldására gyakran előnyben részesítenek egy transzimpedancia erősítőt. Ehhez hozzáadva a Transimpedance erősítőt, a tervező a tervezési követelményeknek megfelelően konfigurálhatja az áramkör sávszélességét és erősítési válaszát is.

Transzimpedancia erősítő működése

A Transimpedance erősítő áramkör egy egyszerű negatív visszacsatolású inverteres erősítő. Az erősítővel együtt egyetlen visszacsatolási ellenállás (R1) csatlakozik az erősítő invertáló végéhez, az alábbiak szerint.

Mivel tudjuk, hogy egy Op-Amp bemeneti áramának értéke nulla lesz a magas bemeneti impedancia miatt, ezért az áramforrásunk áramának teljesen át kell haladnia az R1 ellenálláson. Tekintsük ezt az áramot Is-nek. Ezen a ponton az Op-Amp kimeneti feszültsége (Vout) kiszámítható az alábbi képlet segítségével:

Vout = -Is x R1

Ez a képlet igaz lesz egy ideális áramkörben. De egy valós áramkörben az op-amp a bemeneti érintkezők bizonyos értékű bemeneti kapacitásáról és kóbor kapacitásáról fog állni, ami kimeneti sodródást és csengő rezgést okozhat, instabillá téve az egész áramkört. Ennek a problémának a leküzdéséhez egyetlen passzív alkatrész helyett két passzív komponensre van szükség a transzimpedancia áramkör megfelelő működéséhez. Ez a két passzív alkatrész az előző ellenállás (R1) és egy további kondenzátor (C1). Az ellenállás és a kondenzátor is párhuzamosan csatlakozik az erősítők negatív bemenete és kimenete közé, az alábbiak szerint.

A műveleti erősítő itt is negatív visszacsatolási állapotban van visszacsatolva az R1 ellenálláson és a C1 kondenzátoron keresztül. A transzimpedancia erősítő inverter tűjére alkalmazott áram (Is) a kimeneti oldalon egyenértékű feszültséggé alakul, mint Vout. A bemeneti áram és az ellenállás értéke (R1) felhasználható a Transimpedance erősítő kimeneti feszültségének meghatározására.

A kimeneti feszültség nemcsak a visszacsatolási ellenállástól függ, hanem kapcsolatban áll a C1 visszacsatoló kondenzátor értékével is. Az áramkör sávszélessége függ a C1 visszacsatoló kondenzátor értékétől, ezért ez a kondenzátor értéke megváltoztathatja az áramkör teljes sávszélességét. Az áramkör stabil működése érdekében a teljes sávszélességben az alábbiakban bemutatjuk a szükséges sávszélesség kondenzátorértékének kiszámítására szolgáló képleteket.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Ahol R1 a visszacsatolási ellenállás, az f _p pedig a szükséges sávszélesség-frekvencia.

Valódi helyzetben a parazita kapacitás és az erősítő bemeneti kapacitása létfontosságú szerepet játszik a Transimpedance erősítő stabilitásában. Az áramkör zajerősítési válasza instabilitást is okoz az áramkör fáziseltolódási margója miatt, és túllépi a válaszreakció viselkedését.

Transzimpedancia erősítő kialakítása

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan kell használni a TIA-t a gyakorlati tervekben, tervezzünk egyet egyetlen ellenállás és kondenzátor segítségével, és szimuláljuk azt, hogy megértsük a működését. Az Op-amp-ot használó áram-feszültség átalakító teljes áramköre az alábbiakban látható

A fenti áramkör általános LM358 kis teljesítményű erősítőt használ. Az R1 ellenállás visszacsatoló ellenállásként működik, a kondenzátor pedig egy visszacsatoló kondenzátor célját szolgálja. Az LM358 erősítő negatív visszacsatolási konfigurációban van csatlakoztatva. A negatív bemeneti tüske állandó áramforráshoz, a pozitív csap pedig a földhöz vagy 0 potenciálban van csatlakoztatva. Mivel szimulációról van szó, és a teljes áramkör szorosan működik, mint ideális áramkör, a kondenzátor értéke nem sokat érint, de elengedhetetlen, ha az áramkört fizikailag felépítik. A 10pF ésszerű érték, de a kondenzátor értéke megváltoztatható az áramkör frekvenciasávszélességétől függően, amely a C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p segítségével kiszámítható, amint azt korábban tárgyaltuk.

A tökéletes működés érdekében az op-amp egy kettős tápcsatorna tápellátást is kap, amely +/- 12V. A visszacsatolási ellenállás értéke 1k.

Transzimpedancia erősítő szimuláció

A fenti áramkör szimulálható annak ellenőrzésére, hogy a tervezés a várt módon működik-e. Egy DC feszültségmérő van csatlakoztatva az op-amp kimeneten a Transimpedance erősítő kimeneti feszültségének mérésére. Ha az áramkör megfelelően működik, akkor a voltmérőn megjelenő kimeneti feszültség értékének arányosnak kell lennie az Op-Amp invertercsapjára alkalmazott árammal.

A teljes szimulációs videó az alábbiakban található

Az 1. tesztesetben az op-amp-on átmenő bemeneti áram 1mA. Mivel az op-amp bemeneti impedanciája nagyon magas, az áram elkezd áramlani a visszacsatoló ellenálláson, és a kimeneti feszültség függ a visszacsatoló ellenállás értékétől, amely az áram áramának a szorosa, amelyet a Vout = -Is x R1 képlet szabályoz korábban megbeszéltük.

Áramkörünkben az R1 ellenállás értéke 1k. Ezért, ha a bemeneti áram 1mA, a Vout

Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Ha ellenőrizzük az áramról feszültségre szimulációs eredményünket, akkor az pontosan megegyezik. A kimenet a Transimpedance erősítő hatására lett pozitív.

A 2. tesztesetben a bemenő áramot az op-erősítőn 0,05 mA vagy 500 mikroamper adják meg. Ezért a kimeneti feszültség értéke kiszámítható.

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

Ha ellenőrizzük a szimuláció eredményét, ez is pontosan megegyezik.

Ez ismét szimulációs eredmény. Az áramkör kiépítése során a gyakorlatilag egyszerű kóbor kapacitás időállandó hatást eredményezhet ebben az áramkörben. A tervezőnek vigyáznia kell az alábbi pontokra, amikor fizikailag építkezik.

1. Kerülje a kenyérlemezeket, a rézzel borított táblákat vagy bármilyen más szalaglapot a csatlakoztatáshoz. Az áramkört csak a NYÁK-ra építse.
2. Az Op-Amp-ot forrasztani kell közvetlenül a NYÁK-ra IC-tartó nélkül.
3. Rövid nyomokat használjon a visszacsatolási útvonalakhoz és a bemeneti áramforráshoz (fotodióda vagy hasonló dolgok, amelyeket Transimpedance erősítővel kell mérni).
4. Helyezze a visszacsatolási ellenállást és a kondenzátort a lehető legközelebb az operációs erősítőhöz.
5. Jó rövid ólmozott ellenállást használni.
6. Helyezzen megfelelő szűrőkondenzátorokat nagy és kicsi értékekkel egyaránt az áramellátó sínre.
7. A tervezés egyszerűsége érdekében válasszon megfelelő erősítőt, amelyet kifejezetten erre a célra terveztek az erősítőhöz.

A transzimpedancia erősítő alkalmazásai

A transzimpedancia erősítő a legfontosabb érzékelési eszköz a fényérzékeléssel kapcsolatos működéshez. Széles körben használják a vegyiparban, a nyomástávadókban, a különböző típusú gyorsulásmérőkben, a fejlett vezetősegítő rendszerekben és az LiDAR technológiában, amelyet önálló járművekben használnak.

A Transimpedance áramkör legkritikusabb része a tervezési stabilitás. Ennek oka a parazita és a zajjal kapcsolatos problémák. A tervezőnek ügyelnie kell a megfelelő erősítő kiválasztására, és ügyelnie kell a megfelelő NYÁK-irányelvek használatára.