Трансимпедансный усилитель

Проще говоря, трансимпедансный усилитель - это схема преобразователя, которая преобразует входной ток в пропорциональное выходное напряжение. Как мы знаем, когда ток течет через резистор, он создает падение напряжения на резисторе, которое будет пропорционально значению тока и значению самого резистора. Здесь, предполагая, что номинал резистора идеально постоянный, мы можем легко использовать закон Ома для вычисления значения тока на основе значения напряжения. Это самый простой преобразователь тока в напряжение, и, поскольку для этого мы использовали резистор (пассивный элемент), он называется пассивным преобразователем тока в напряжение.

С другой стороны, трансимпедансный усилитель - это активный преобразователь тока в напряжение, поскольку он использует активный компонент, такой как операционный усилитель, для преобразования входного тока в пропорциональное выходное напряжение. Также возможно построить активные преобразователи I в V, используя другие активные компоненты, такие как BJT, IGBT, MOSFET и т. Д. Наиболее часто используемым преобразователем тока в напряжение является трансимпедансный усилитель (TIA), поэтому в этой статье мы узнаем об этом больше и как использовать его в схемотехнике.

Важность трансимпедансного усилителя

Теперь, когда мы знаем, что для преобразования тока в напряжение можно использовать даже резистор, зачем нам создавать преобразователи активного тока в напряжение с помощью операционного усилителя? Какое преимущество и важность он имеет перед преобразователями Passive V в I?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте предположим, что светочувствительный диод (источник тока) подает ток на свой вывод в зависимости от падающего на него света, а простой резистор низкого номинала подключен к фотодиоду для преобразования выходного тока в пропорциональное напряжение, как показано на рисунке изображение ниже.

Вышеупомянутая схема может хорошо работать теоретически, но на практике производительность будет искажаться, потому что фотодиод также будет иметь некоторые нежелательные емкостные свойства, называемые паразитной емкостью. Из-за этого для меньшего значения резистора считывания постоянная времени (t) (t = сопротивление считывания x паразитная емкость) будет небольшой, и, следовательно, коэффициент усиления будет низким. Совершенно противоположное произойдет, если сопротивление датчика увеличится, коэффициент усиления будет высоким, а постоянная времени также будет выше, чем значение малого резистора. Это неравномерное усиление приведет к недостаточному соотношению сигнал / шум.а гибкость выходного напряжения ограничена. Поэтому для устранения проблем, связанных с низким коэффициентом усиления и шумом, часто предпочитают трансимпедансный усилитель. Добавив к этому трансимпедансный усилитель, разработчик также может настроить полосу пропускания и характеристику усиления схемы в соответствии с требованиями проекта.

Работа трансимпедансного усилителя

Схема трансимпедансного усилителя представляет собой простой инвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью. Наряду с усилителем к инвертирующему концу усилителя подключен единственный резистор обратной связи (R1), как показано ниже.

Как мы знаем, входной ток операционного усилителя будет равен нулю из-за его высокого входного импеданса, поэтому ток от нашего источника тока должен полностью проходить через резистор R1. Считаем этот ток Is. На этом этапе выходное напряжение (Vout) операционного усилителя можно рассчитать по следующей формуле:

Vout = -Is x R1

Эта формула верна в идеальной цепи. Но в реальной схеме операционный усилитель будет состоять из некоторого значения входной емкости и паразитной емкости на его входных контактах, которые могут вызвать дрейф выходного сигнала и звонкие колебания, что сделает всю схему нестабильной. Чтобы решить эту проблему, вместо одного пассивного компонента необходимы два пассивных компонента для правильной работы схемы трансимпеданса. Эти два пассивных компонента - это предыдущий резистор (R1) и дополнительный конденсатор (C1). И резистор, и конденсатор подключены параллельно между отрицательным входом и выходом усилителя, как показано ниже.

Операционный усилитель здесь снова подключен в состоянии отрицательной обратной связи через резистор R1 и конденсатор C1 в качестве обратной связи. Ток (Is), приложенный к выводу инвертирования трансимпедансного усилителя, будет преобразован в эквивалентное напряжение на выходной стороне как Vout. Значение входного тока и значение резистора (R1) можно использовать для определения выходного напряжения трансимпедансного усилителя.

Выходное напряжение не только зависит от резистора обратной связи, но также имеет отношение к величине конденсатора обратной связи C1. Полоса пропускания схемы зависит от емкости конденсатора обратной связи C1, поэтому это значение емкости может изменять полосу пропускания всей схемы. Для стабильной работы схемы во всей полосе пропускания формулы для расчета емкости конденсатора для требуемой полосы пропускания показаны ниже.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Где R1 - резистор обратной связи, а f _p - требуемая частота полосы пропускания.

В реальной ситуации паразитная емкость и входная емкость усилителя играют жизненно важную роль в стабильности трансимпедансного усилителя. Отклик схемы на усиление шума также создает нестабильность из-за запаса по фазовому сдвигу схемы и вызывает перерегулирование на скачкообразный отклик.

Конструкция трансимпедансного усилителя

Чтобы понять, как использовать TIA в практических разработках, давайте спроектируем его с использованием одного резистора и конденсатора и смоделируем его, чтобы понять его работу. Полная схема преобразователя тока в напряжение с использованием операционного усилителя показана ниже.

В приведенной выше схеме используется общий усилитель малой мощности LM358. Резистор R1 действует как резистор обратной связи, а конденсатор выполняет роль конденсатора обратной связи. Усилитель LM358 подключен по схеме отрицательной обратной связи. Отрицательный входной вывод подключается к источнику постоянного тока, а положительный вывод подключается к земле или с нулевым потенциалом. Поскольку это моделирование, и вся схема работает как идеальная схема, емкость конденсатора не сильно повлияет, но это важно, если схема построена физически. 10 пФ - разумное значение, но емкость конденсатора может быть изменена в зависимости от полосы частот схемы, которая может быть рассчитана с использованием C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p, как обсуждалось ранее.

Для безупречной работы операционный усилитель также получает питание от источника с двумя шинами питания +/- 12 В. Значение резистора обратной связи выбрано 1 кОм.

Трансимпедансный усилитель Моделирование

Вышеуказанная схема может быть смоделирована, чтобы проверить, работает ли конструкция должным образом. Вольтметр постоянного тока подключен к выходу операционного усилителя для измерения выходного напряжения нашего трансимпедансного усилителя. Если схема работает правильно, то значение выходного напряжения, отображаемое на вольтметре, должно быть пропорционально току, приложенному к инвертирующему выводу операционного усилителя.

Полное видео моделирования можно найти ниже

В тестовом примере 1 входной ток через операционный усилитель равен 1 мА. Поскольку входной импеданс операционного усилителя очень высок, ток начинает течь через резистор обратной связи, а выходное напряжение зависит от величины резистора обратной связи, умноженной на величину протекающего тока, что определяется формулой Vout = -Is x R1 как мы обсуждали ранее.

В нашей схеме сопротивление резистора R1 равно 1 кОм. Следовательно, когда входной ток составляет 1 мА, Vout будет

Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 A x 1000 Ом Vout = 1 Вольт

Если мы проверим результат симуляции тока в напряжение, он точно совпадет. Выход стал положительным за счет эффекта трансимпедансного усилителя.

В тестовом примере 2 входной ток через операционный усилитель составляет 0,05 мА или 500 микроампер. Следовательно, значение выходного напряжения можно рассчитать как.

Vout = -Is x R1 Vout = -0,0005 A x 1000 Ом Vout = 0,5 Вольт

Если мы проверим результат моделирования, он также точно совпадет.

Еще раз это результат моделирования. Практически простая паразитная емкость при построении схемы могла вызвать в этой схеме эффект постоянной времени. При физическом строительстве проектировщик должен учитывать следующие моменты.

Избегайте использования макетов, плат, покрытых медью, или любых других полосных плат для подключения. Собирать схему только на печатной плате.
Операционный усилитель необходимо припаять к печатной плате без держателя микросхемы.
Используйте короткие дорожки для трактов обратной связи и источника входного тока (фотодиод или подобные вещи, которые необходимо измерить с помощью трансимпедансного усилителя).
Поместите резистор обратной связи и конденсатор как можно ближе к операционному усилителю.
Хорошо использовать резисторы с короткими выводами.
Добавьте подходящие конденсаторы фильтра с большой и малой емкостью на шину питания.
Выберите подходящий операционный усилитель, специально разработанный для этой цели усилителя для простоты конструкции.

Применение трансимпедансного усилителя

Трансимпедансный усилитель является наиболее важным инструментом измерения токового сигнала для операций, связанных с датчиком света. Он широко используется в химической инженерии, в датчиках давления, различных типах акселерометров, в передовых системах помощи водителю и в технологии LiDAR, которая используется в автономных транспортных средствах.

Наиболее важной частью схемы трансимпеданса является стабильность конструкции. Это связано с паразитами и проблемами, связанными с шумом. Разработчик должен быть осторожен при выборе правильного усилителя и должен соблюдать надлежащие рекомендации по печатной плате.