Transimpedansforsterker

For å forklare med enkle ord er en transimpedansforsterker en omformerkrets som konverterer inngangsstrømmen til en proporsjonal utgangsspenning. Som vi vet når strømmen strømmer gjennom en motstand, skaper det et spenningsfall over motstanden som vil være proporsjonalt med verdien av strømmen og selve verdimotstanden. Her, forutsatt at motstandens verdi er ideell konstant, kan vi enkelt bruke Ohms Law til å beregne strømverdien basert på verdien av spenningen. Dette er den mest grunnleggende strøm til spenningsomformeren, og siden vi har brukt en motstand (passivt element) for å oppnå dette kalles det som en passiv strøm til spenningsomformer.

På den annen side er en transimpedansforsterker en aktiv strøm til spenningsomformer, siden den bruker en aktiv komponent som Op-Amp for å konvertere inngangsstrømmen til en proporsjonal utgangsspenning. Det er også mulig å bygge aktive I til V-omformere ved hjelp av andre aktive komponenter som BJT, IGBT, MOSFET osv. Den mest brukte strøm til spenningsomformeren er Transimpedance Amplifier (TIA), så i denne artikkelen vil vi lære mer om det og hvordan du bruker den i kretsdesignene dine.

Betydningen av transimpedansforsterker

Nå som vi vet at til og med en motstand kan brukes til å konvertere strøm til spenning, hvorfor må vi bygge en aktiv strøm til spenningsomformere ved hjelp av Op-Amp? Hvilken fordel og betydning har den over Passive V til I-omformere?

For å svare på at antar at en lysfølsom diode (strømkilde) tilfører strøm over terminalen avhengig av lyset som faller på den, og en enkel motstand med lav verdi er koblet over fotodioden for å konvertere utgangsstrømmen til en proporsjonal spenning som vist i bildet nedenfor.

Ovennevnte krets kan fungere godt av teorien, men i praksis vil ytelsen bli avkortert fordi fotodiode også vil bestå av noen uønskede kapasitive egenskaper som kalles stray capacitance. På grunn av dette for en mindre verdi av sensormotstand, vil tidskonstanten (t) (t = sensemotstand x Stray Capacitance) være liten, og følgelig vil forsterkningen være lav. Det nøyaktige motsatte vil skje hvis sansemotstanden økes, forsterkningen vil være høy og tidskonstanten også vil være høyere enn den lille motstandsverdien. Denne ujevne forsterkningen vil føre til et utilstrekkelig signal / støy-forholdog fleksibiliteten til utgangsspenningen er begrenset. Derfor, for å fikse problemer med dårlig forsterkning og støy, foretrekkes ofte en transimpedansforsterker. Ved å legge til dette i en transimpedansforsterker, kan designeren også konfigurere båndbredden og forsterkningsresponsen til kretsen i henhold til designkravene.

Arbeid med transimpedansforsterker

Transimpedansforsterkerkretsen er en enkel inverterende forsterker med negativ tilbakemelding. Sammen med forsterkeren er en enkelt tilbakemeldingsmotstand (R1) koblet til den inverterende enden av forsterkeren som vist nedenfor.

Som vi vet vil inngangsstrømmen til en Op-Amp være null på grunn av dens høye inngangsimpedans, og derfor må strømmen fra vår nåværende kilde passere helt gjennom motstanden R1. La oss betrakte denne strømmen som Is. På dette tidspunktet kan utgangsspenningen (Vout) til Op-Amp beregnes ved hjelp av formelen nedenfor -

Vout = -Is x R1

Denne formelen vil gjelde i en ideell krets. Men i en ekte krets vil op-amp bestå av en viss verdi av inngangskapasitans og svikekapasitans over inngangspinnene som kan forårsake utgangsdrift og ringesvingning, noe som gjør hele kretsen ustabil. For å overvinne dette problemet, i stedet for en enkelt passiv komponent, er det to passive komponenter som kreves for at Transimpedans-kretsen skal fungere riktig. Disse to passive komponentene er den forrige motstanden (R1) og en ekstra kondensator (C1). Både motstanden og kondensatoren er koblet parallelt mellom forsterkernes negative inngang og utgangen som vist nedenfor.

Operasjonsforsterkeren her er igjen koblet i negativ tilbakemeldingstilstand gjennom motstanden R1 og kondensatoren C1 som tilbakemelding. Strømmen (Is) som brukes på inverteringsstiftet på Transimpedans-forsterkeren blir konvertert til ekvivalent spenning på utgangssiden som Vout. Verdien av inngangsstrømmen og verdien av motstanden (R1) kan brukes til å bestemme utgangsspenningen til transimpedansforsterkeren.

Utgangsspenningen er ikke bare avhengig av tilbakemeldingsmotstanden, men den har også et forhold til verdien av tilbakemeldingskondensatoren C1. Kretsen båndbredden er pålitelig på tilbakekoblingskondensator verdi C1, derfor er denne kondensator verdi kan endre båndbredden av den samlede krets. For stabil drift av kretsen i hele båndbredden, vises formlene for å beregne kondensatorverdien for ønsket båndbredde nedenfor.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Hvor R1 er tilbakemeldingsmotstanden og f _p er den nødvendige båndbreddefrekvensen.

I en reell situasjon spiller parasittkapasitans og inngangskapasitansen til forsterkeren en viktig rolle i Transimpedansforsterkerens stabilitet. Støyforsterkningsresponsen til kretsen skaper også ustabilitet på grunn av kretsfaseskiftmargin og forårsaker atferd over trinn.

Transimpedansforsterkerdesign

For å forstå hvordan du bruker TIA i praktiske design, la oss designe en med en enkelt motstand og kondensator og simulere den for å forstå hvordan den fungerer. Den komplette kretsen for strøm til spenningsomformer ved hjelp av Op-amp er vist nedenfor

Ovennevnte krets bruker generisk laveffektforsterker LM358. Motstanden R1 fungerer som en tilbakemeldingsmotstand, og kondensatoren tjener formålet med en tilbakemeldingskondensator. Forsterkeren LM358 er koblet til i en negativ tilbakemeldingskonfigurasjon. Den negative inngangspinnen er koblet til en konstant strømkilde, og den positive pinnen er koblet til bakken eller i 0 potensial. Ettersom det er en simulering og den samlede kretsen fungerer tett som en ideell krets, ville kondensatorverdien ikke påvirke mye, men det er viktig hvis kretsen er konstruert fysisk. 10pF er en rimelig verdi, men kondensatorverdien kan endres avhengig av frekvensbåndbredden til kretsene som kan beregnes ved bruk av C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p som diskutert tidligere.

For den perfekte driften får op-forsterkeren også strøm fra en dobbel strømforsyning som er +/- 12V. Tilbakemeldingens motstandsverdi er valgt som 1k.

Transimpedans forsterker simulering

Ovennevnte krets kan simuleres for å sjekke om designet fungerer som forventet. Et DC-voltmeter er koblet over op-amp-utgangen for å måle utgangsspenningen til vår Transimpedans-forsterker. Hvis kretsen fungerer som den skal, skal verdien av utgangsspenningen som vises på voltmeteret være proporsjonal med strømmen som brukes på den inverterende pinnen til Op-Amp.

Den komplette simuleringsvideoen finner du nedenfor

I testtilfelle 1 er inngangsstrømmen over op-amp gitt som 1mA. Siden inngangsimpedansen til op-amp er veldig høy, begynner strømmen å strømme gjennom tilbakemeldingsmotstanden og utgangsspenningen er pålitelig av tilbakemeldingsmotstandens verdi ganger strømmen strømmer, styrt av formelen Vout = -Is x R1 som vi diskuterte tidligere.

I vår krets er verdien av motstand R1 1k. Derfor, når inngangsstrømmen er 1mA, vil Vout være, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Hvis vi sjekker vårt nåværende til spenningssimuleringsresultat, stemmer det nøyaktig. Utgangen ble positiv av effekten av Transimpedance forsterker.

I testtilfelle 2 er inngangsstrømmen over op-amp gitt som.05mA eller 500 mikroampere. Derfor kan verdien av utgangsspenningen beregnes som.

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

Hvis vi sjekker simuleringsresultatet, samsvarer dette også nøyaktig.

Nok en gang er dette et simuleringsresultat. Mens du bygger kretsen, kan praktisk talt løst kapasitans gi tidskonstant effekt i denne kretsen. Designeren bør være forsiktig med punktene nedenfor når de konstruerer fysisk.

Unngå brødplater eller kobberplater eller andre stripeplater for tilkobling. Bygg kretsen bare på PCB.
Op-Amp må loddes direkte på PCB uten IC-holder.
Bruk korte spor for tilbakemeldingsbaner og inngangsstrømkilden (Fotodiode eller lignende som må til av en Transimpedansforsterker).
Plasser tilbakemeldingsmotstanden og kondensatoren så nær operasjonsforsterkeren som mulig.
Det er bra å bruke kortledede motstander.
Legg til riktige filterkondensatorer med både store og små verdier på strømforsyningsskinnen.
Velg riktig op-amp spesielt designet for dette formålet med forsterkeren for enkelhet i designet.

Anvendelser av transimpedansforsterker

En transimpedansforsterker er den mest avgjørende strømsignalet måleverktøy for lysfølende beslektet drift. Det er mye brukt i kjemiteknikk, trykkgivere, forskjellige typer akselerometre, avanserte førerassistansesystemer og LiDAR-teknologi som brukes i autonome kjøretøyer.

Den mest kritiske delen av Transimpedans-kretsen er designstabilitet. Dette er på grunn av parasitt- og støyrelaterte problemer. Designeren må være forsiktig med å velge riktig forsterker og bør være forsiktig med å bruke riktige PCB-retningslinjer.