Transimpedančný zosilňovač

Jednoduchými slovami možno vysvetliť, že transimpedančný zosilňovač je obvod prevodníka, ktorý prevádza vstupný prúd na proporcionálne výstupné napätie. Ako vieme, keď prúd preteká rezistorom, vytvára pokles napätia na rezistore, ktorý bude úmerný hodnote prúdu a samotnému hodnotovému odporu. Tu, za predpokladu, že hodnota odporu bude ideálne konštantná, môžeme ľahko použiť Ohmov zákon na výpočet hodnoty prúdu na základe hodnoty napätia. Toto je najzákladnejší prevodník prúdu na napätie a keďže sme na jeho dosiahnutie použili rezistor (pasívny prvok), nazýva sa to pasívny prevodník prúdu na napätie.

Na druhej strane je transimpedančný zosilňovač aktívny prevodník prúdu na napätie, pretože na prevod vstupného prúdu na proporcionálne výstupné napätie využíva aktívnu zložku ako Op-Amp. Je tiež možné zostaviť aktívne prevodníky I na V pomocou ďalších aktívnych komponentov, ako sú BJT, IGBT, MOSFET atď. Najčastejšie používaným prevodníkom prúdu na napätie je transimpedančný zosilňovač (TIA), takže v tomto článku sa o ňom dozvieme viac a ako ho použiť vo vašich obvodoch.

Dôležitosť transimpedančného zosilňovača

Teraz, keď vieme, že na prevod prúdu na napätie je možné použiť aj rezistor, prečo musíme budovať prevodníky aktívneho prúdu na napätie pomocou Op-Amp? Akú výhodu a dôležitosť má v porovnaní s pasívnymi prevodníkmi V na I?

Ak chcete odpovedať, predpokladajme, že fotocitlivá dióda (zdroj prúdu) dodáva prúd cez svoj terminál v závislosti od dopadajúceho svetla a na fotodiódu je pripojený jednoduchý rezistor s nízkou hodnotou, ktorý prevádza výstupný prúd na proporcionálne napätie, ako je znázornené na obrázku. obrázok dole.

Vyššie uvedený obvod môže teoreticky fungovať dobre, ale v praxi bude výkon dekontikovaný, pretože fotodióda bude pozostávať aj z niektorých nežiaducich kapacitných vlastností, ktoré sa nazývajú blúdivá kapacita. Z tohto dôvodu bude pre menšiu hodnotu snímacieho rezistora časová konštanta (t) (t = snímací odpor x rozptylová kapacita) malá a tým bude zisk nízky. Presný opak nastane, ak sa zvýši odpor snímania, zisk bude vysoký a časová konštanta bude tiež vyššia ako hodnota malého odporu. Tento nerovnomerný zisk povedie k nedostatočnému pomeru signálu k šumua flexibilita výstupného napätia je obmedzená. Preto, aby sa vyriešili problémy spojené so slabým zosilnením a šumom, je často uprednostňovaný transimpedančný zosilňovač. Ak k tomu pridáme zosilňovač transimpedancie, môže dizajnér tiež nakonfigurovať šírku pásma a zosilňovaciu odozvu obvodu podľa projektových požiadaviek.

Pracovanie transimpedančného zosilňovača

Obvod zosilňovača transimpedancie je jednoduchý invertujúci zosilňovač so zápornou spätnou väzbou. Spolu so zosilňovačom je na spätný koniec zosilňovača pripojený jeden spätnoväzbový rezistor (R1), ako je to znázornené nižšie.

Ako vieme, vstupný prúd Op-Amp bude nulový kvôli jeho vysokej vstupnej impedancii, takže prúd z nášho zdroja prúdu musí úplne prechádzať cez odpor R1. Uvažujme tento prúd ako Is. V tomto okamihu možno výstupné napätie (Vout) Op-Amp vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca -

Vout = -Je x R1

Tento vzorec bude platiť v ideálnom okruhu. Ale v skutočnom obvode bude operačný zosilňovač pozostávať z určitej hodnoty vstupnej kapacity a rozptýlenej kapacity cez jeho vstupné piny, čo by mohlo spôsobiť posun výstupu a vyzváňaciu osciláciu, čo by spôsobilo nestabilitu celého obvodu. Na prekonanie tohto problému sú potrebné na správne fungovanie transimpedančného obvodu namiesto jediného pasívneho komponentu dva pasívne komponenty. Týmito dvoma pasívnymi komponentmi sú predchádzajúci odpor (R1) a ďalší kondenzátor (C1). Rezistor aj kondenzátor sú zapojené paralelne medzi záporným vstupom a výstupom zosilňovača, ako je uvedené nižšie.

Operačný zosilňovač je tu opäť pripojený v negatívnej spätnej väzbe cez odpor R1 a kondenzátor C1 ako spätná väzba. Prúd (Is) privedený na invertujúci kolík transimpedančného zosilňovača bude prevedený na ekvivalentné napätie na výstupnej strane ako Vout. Hodnota vstupného prúdu a hodnota odporu (R1) sa môžu použiť na určenie výstupného napätia zosilňovača transimpedancie.

Výstupné napätie nezávisí iba od spätnoväzbového odporu, ale má tiež vzťah k hodnote spätnoväzbového kondenzátora C1. Šírka pásma obvodu je závislá na hodnote spätnoväzbového kondenzátora C1, preto táto hodnota kondenzátora môže meniť šírku pásma celkového obvodu. Pre stabilnú prevádzku obvodu v celej šírke pásma sú nižšie uvedené vzorce na výpočet hodnoty kondenzátora pre požadovanú šírku pásma.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _str

Kde R1 je spätnoväzbový rezistor a _fp je požadovaná šírka pásma.

V skutočnej situácii hrá parazitická kapacita a vstupná kapacita zosilňovača zásadnú úlohu v stabilite transimpedančného zosilňovača. Odozva zosilnenia šumu obvodu tiež vytvára nestabilitu v dôsledku rozpätia fázového posunu obvodu a spôsobuje správanie reakcie prekročenia kroku.

Dizajn zosilňovača transimpedancie

Aby sme pochopili, ako používať TIA v praktickom dizajne, navrhnime jeden pomocou jediného rezistora a kondenzátora a simulujme ho, aby sme pochopili jeho fungovanie. Celý obvod pre prevodník prúdu na napätie pomocou operačného zosilňovača je uvedený nižšie

Vyššie uvedený obvod využíva generický zosilňovač nízkeho výkonu LM358. Odpor R1 funguje ako spätnoväzbový odpor a kondenzátor slúži na účel spätnoväzbového kondenzátora. Zosilňovač LM358 je pripojený v konfigurácii so zápornou spätnou väzbou. Záporný vstupný kolík je pripojený k zdroju konštantného prúdu a kladný kolík je pripojený k zemi alebo k potenciálu 0. Pretože ide o simuláciu a celkový obvod úzko spolupracuje ako ideálny obvod, hodnota kondenzátora by to príliš neovplyvnila, ale je nevyhnutné, ak je obvod skonštruovaný fyzicky. 10pF je primeraná hodnota, ale hodnotu kondenzátora je možné meniť v závislosti od šírky frekvenčného pásma obvodov, ktorú je možné vypočítať pomocou C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p, ako už bolo uvedené.

Pre dokonalú prevádzku operačný zosilňovač získava energiu aj z napájacieho zdroja s dvojitým napájaním, ktorý je +/- 12V. Hodnota spätnoväzbového odporu je zvolená ako 1k.

Simulácia transimpedančného zosilňovača

Vyššie uvedený obvod je možné simulovať a skontrolovať, či návrh funguje podľa očakávania. Na výstup op-zosilňovača je pripojený jednosmerný voltmeter na meranie výstupného napätia nášho zosilňovača Transimpedance. Ak obvod funguje správne, potom by hodnota výstupného napätia zobrazená na voltmetri mala byť úmerná prúdu privedenému na invertujúci kolík Op-Amp.

Kompletné simulačné video nájdete nižšie

V testovacom prípade 1 je vstupný prúd cez operačný zosilňovač uvedený ako 1 mA. Pretože vstupná impedancia operačného zosilňovača je veľmi vysoká, prúd začne tiecť cez spätnoväzbový rezistor a výstupné napätie je závislé na hodnote spätnoväzbového odporu krát, keď prúd tečie, riadi sa vzorcom Vout = -Is x R1 as diskutovali sme skôr.

V našom obvode je hodnota odporu R1 1k. Preto keď je vstupný prúd 1 mA, Vout bude, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt

Ak skontrolujeme náš výsledok simulácie prúdu na napätie, presne sa zhoduje. Výstup sa stal pozitívnym účinkom transimpedančného zosilňovača.

V testovacom prípade 2 je vstupný prúd cez operačný zosilňovač uvedený ako 0,05 mA alebo 500 mikroampérov. Preto je možné hodnotu výstupného napätia vypočítať ako.

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

Ak skontrolujeme výsledok simulácie, aj tento sa presne zhoduje.

Opäť ide o výsledok simulácie. Pri budovaní obvodu by prakticky jednoduchá zatúlaná kapacita mohla v tomto obvode produkovať časovo konštantný efekt. Pri fyzickej konštrukcii by mal návrhár dávať pozor na nasledujúce body.

Vyhýbajte sa spojovacím doskám alebo doskám s medeným plášťom alebo iným pásovým doskám. Obvod zostavte iba na DPS.
Op-Amp je potrebné spájkovať priamo na DPS bez držiaka IC.
Pre spätnoväzbové cesty a zdroj vstupného prúdu (fotodióda alebo podobné veci, ktoré je potrebné merať transimpedančným zosilňovačom), použite krátke stopy.
Umiestnite spätnoväzbový odpor a kondenzátor čo najbližšie k operačnému zosilňovaču.
Je dobré používať rezistory s krátkym vývodom.
Pridajte správne filtračné kondenzátory s veľkými aj malými hodnotami na napájaciu lištu.
Vyberte si vhodný operačný zosilňovač špeciálne navrhnutý pre tento účel zosilňovača pre jednoduchosť jeho prevedenia.

Aplikácie transimpedančného zosilňovača

Transimpedančný zosilňovač je najdôležitejším nástrojom na meranie prúdového signálu pre činnosť spojenú so snímaním svetla. Je široko používaný v chemickom inžinierstve, prevodníkoch tlaku, rôznych druhoch akcelerometrov, pokročilých asistenčných systémoch vodiča a technológii LiDAR, ktorá sa používa v autonómnych vozidlách.

Najdôležitejšou časťou transimpedančného obvodu je stabilita návrhu. Je to kvôli parazitom a problémom súvisiacim s hlukom. Dizajnér musí byť pri výbere správneho zosilňovača opatrný a mal by si dávať pozor na správne pokyny pre PCB.