Transimpedanssivahvistin

Transimpedanssivahvistin on yksinkertaisilla sanoilla muunninpiiri, joka muuntaa tulovirran suhteelliseksi lähtöjännitteeksi. Kuten tiedämme, kun virta virtaa vastuksen läpi, se aiheuttaa jännitteen pudotuksen vastuksen yli, joka on verrannollinen virran arvoon ja itse vastusvastukseen. Tässä oletetaan, että vastuksen arvo on ihanteellisesti vakio, voimme helposti käyttää Ohmin lakia laskemaan virran arvon jännitteen arvon perusteella. Tämä on kaikkein perusvirtamuuntaja, ja koska tämän saavuttamiseksi olemme käyttäneet vastusta (passiivielementtiä), sitä kutsutaan passiiviseksi virtalähteeksi.

Toisaalta transimpedanssivahvistin on aktiivinen virta-jännitteenmuunnin, koska se käyttää aktiivista komponenttia, kuten Op-Amp, tulovirran muuntamiseksi suhteelliseksi lähtöjännitteeksi. On myös mahdollista rakentaa aktiivisia I-V-muuntimia käyttämällä muita aktiivisia komponentteja, kuten BJT, IGBT, MOSFET jne. Yleisimmin käytetty virta-jännite-muunnin on Transimpedanssivahvistin (TIA), joten tässä artikkelissa opimme siitä lisää ja kuinka sitä käytetään piirisuunnitelmissasi.

Transimpedanssivahvistimen merkitys

Nyt kun tiedämme, että jopa vastusta voidaan käyttää virran muuntamiseen jännitteeksi, miksi meidän on rakennettava aktiivinen virta jännitemuuntimiksi käyttämällä Op-Ampia? Mitä etua ja merkitystä sillä on Passiivinen V I -muuntimiin verrattuna?

Vastaamiseksi, jonka avulla voidaan olettaa, että valoherkkä diodi (virtalähde) tuottaa virtaa päätelaitteensa yli sille putoavasta valosta ja yksinkertainen pieniarvoinen vastus on kytketty valodiodin yli muuntamaan lähtövirta suhteelliseksi jännitteeksi kuten kuvassa alla oleva kuva.

Yllä oleva piiri saattaa toimia teoriassa hyvin, mutta käytännössä suorituskyky erotetaan, koska valodiodi koostuu myös joistakin ei-toivotuista kapasitiivisista ominaisuuksista, joita kutsutaan hajakapasitanssiksi. Tästä johtuen pienemmällä sensorivastuksen arvolla aikavakio (t) (t = aistivastus x hajakapasitanssi) on pieni ja siten vahvistus on pieni. Päinvastoin tapahtuu, jos aistivastusta kasvatetaan, vahvistus on suuri ja aikavakio on myös suurempi kuin pieni vastuksen arvo. Tämä epätasainen vahvistus johtaa riittämättömään signaali-kohinasuhteeseenja lähtöjännitteen joustavuus on rajoitettu. Siksi heikon vahvistuksen ja kohinaan liittyvien ongelmien korjaamiseksi usein suositellaan transimpedanssivahvistinta. Lisäämällä tähän Transimpedanssivahvistimessa suunnittelija voi myös määrittää piirin kaistanleveyden ja vahvistusvasteen suunnitteluvaatimusten mukaisesti.

Transimpedanssivahvistimen toiminta

Transimpedanssivahvistinpiiri on yksinkertainen käänteisvahvistin, jolla on negatiivinen palaute. Vahvistimen kanssa kytketään yksi takaisinkytkentävastus (R1) vahvistimen kääntöpäähän alla esitetyllä tavalla.

Koska tiedämme , että Op-Amp: n tulovirta on nolla sen suuren tuloimpedanssin takia, siis virtalähteemme virta on läpäistävä kokonaan vastuksen R1 läpi. Tarkastellaan tätä virtaa sellaisenaan. Tässä vaiheessa Op-Amp: n lähtöjännite (Vout) voidaan laskea seuraavalla kaavalla -

Vout = -Is x R1

Tämä kaava pitää paikkansa ihanteellisessa piirissä. Mutta todellisessa piirissä op-amp koostuu tulokapasitanssin ja hajakapasitanssin arvosta tulonastojensa yli, mikä voi aiheuttaa ulostulon ajautumisen ja soittoäänen värähtelyn, jolloin koko piiri on epävakaa. Tämän ongelman voittamiseksi tarvitaan yhden passiivisen komponentin sijaan kaksi passiivista komponenttia transimpedanssipiirin moitteettomaan toimintaan. Nämä kaksi passiivista komponenttia ovat edellinen vastus (R1) ja ylimääräinen kondensaattori (C1). Sekä vastus että kondensaattori on kytketty rinnakkain vahvistimien negatiivisen tulon ja lähdön välille, kuten alla on esitetty.

Operatiivinen vahvistin on tässä yhteydessä jälleen kytketty negatiiviseen takaisinkytkentätilaan vastuksen R1 ja kondensaattorin C1 kautta palautteena. Transimpedanssivahvistimen kääntötappiin syötetty virta (Is) muunnetaan vastaavaksi jännitteeksi lähtöpuolella kuin Vout. Tulovirran ja vastuksen arvoa (R1) voidaan käyttää transimpedanssivahvistimen lähtöjännitteen määrittämiseen.

Lähtöjännite ei ole vain riippuvainen takaisinkytkentävastuksesta, vaan sillä on myös suhde takaisinkytkentäkondensaattorin C1 arvoon. Piirin kaistanleveys on riippuvainen palautekondensaattorin arvosta C1, joten tämä kondensaattorin arvo voi muuttaa koko piirin kaistanleveyttä. Piirin vakaan toiminnan varmistamiseksi koko kaistanleveydellä alla on kaavat kondensaattorin arvon laskemiseksi vaaditulle kaistanleveydelle.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Jossa R1 on palautteen vastus ja f _p on vaadittava kaistanleveys taajuus.

Todellisessa tilanteessa loiskapasitanssilla ja vahvistimen tulokapasitanssilla on tärkeä rooli transimpedanssivahvistimen vakaudessa. Piirin kohinanvahvistusvaste luo myös epävakautta piirin vaihesiirtomarginaalin vuoksi ja aiheuttaa ylitysvaiheen vastekäyttäytymisen.

Transimpedanssivahvistimen suunnittelu

Suunnittelemme TIA: n käyttämistä käytännön suunnittelussa käyttämällä yhtä vastusta ja kondensaattoria ja simuloimalla sitä ymmärtämään sen toimintaa. Op-ampia käyttävän virran ja jännitteen muuntimen täydellinen piiri on esitetty alla

Yllä oleva piiri käyttää yleistä pienitehoista vahvistinta LM358. Vastus R1 toimii takaisinkytkentävastuksena ja kondensaattori palvelee palautekondensaattoria. Vahvistin LM358 on kytketty negatiivisen palautteen kokoonpanoon. Negatiivinen tulotappi on kytketty vakiovirtalähteeseen ja positiivinen tappi on kytketty maahan tai 0 potentiaaliin. Koska se on simulaatio ja kokonaispiiri toimii läheisessä yhteistyössä ihanteellisena piirinä, kondensaattorin arvo ei vaikuta paljoakaan, mutta on välttämätöntä, jos piiri on rakennettu fyysisesti. 10pF on kohtuullinen arvo, mutta kondensaattorin arvoa voidaan muuttaa riippuen piirien taajuuskaistanleveydestä, joka voidaan laskea käyttämällä C1 <1 / 2π x R1 xf _p, kuten aiemmin keskusteltiin.

Täydellisen toiminnan takaamiseksi op-vahvistin saa virtaa myös kaksoisvoimakiskolähteestä, joka on +/- 12 V. Takaisinkytkentävastuksen arvoksi valitaan 1k.

Transimpedanssivahvistimen simulointi

Yllä olevaa virtapiiriä voidaan simuloida tarkistamaan, toimiiko suunnittelu odotetulla tavalla. Tasajännitemittari on kytketty op-amp-lähdön yli Transimpedanssivahvistimen lähtöjännitteen mittaamiseksi. Jos piiri toimii oikein, jännitemittarilla näkyvän lähtöjännitteen arvon tulisi olla verrannollinen Op-Amp: n kääntötappiin syötettyyn virtaan.

Täydellinen simulointivideo löytyy alla

Testitapauksessa 1 sisääntulovirta op-vahvistimen yli annetaan 1 mA: na. Koska op-vahvistimen tuloimpedanssi on erittäin korkea, virta alkaa kulkea takaisinkytkentävastuksen läpi ja lähtöjännite on riippuvainen takaisinkytkentävastuksen arvosta, joka kerrotaan virran virtauksessa, jota ohjaa kaava Vout = -Is x R1 kuten keskustelimme aiemmin.

Piirissämme vastuksen R1 arvo on 1k. Siksi, kun tulovirta on 1 mA, Vout on

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

Jos tarkistamme virta-jännite-simulointituloksemme, se vastaa tarkalleen. Lähtö muuttui positiiviseksi Transimpedanssivahvistimen vaikutuksesta.

Testitapauksessa 2 tulovirta op-amp: n yli annetaan 0,05 mA: n tai 500 mikroampeerin arvona. Siksi lähtöjännitteen arvo voidaan laskea.

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

Jos tarkistamme simulointituloksen, myös tämä vastaa tarkalleen.

Jälleen kerran tämä on simulointitulos. Piiriä rakennettaessa käytännössä yksinkertainen hajakapasitanssi voisi tuottaa aikavakauden vaikutuksen tässä piirissä. Suunnittelijan tulee olla varovainen alla olevien kohtien suhteen rakentaessaan fyysisesti.

Vältä liitäntälevyjä tai kuparipinnoitettuja levyjä tai muita nauhalevyjä. Rakenna piiri vain piirilevylle.
Op-Amp on juotettava suoraan piirilevyyn ilman IC-pidikettä.
Käytä lyhyitä jälkiä takaisinkytkentäradoille ja tulovirralähteelle (fotodiodi tai vastaava, jota tarvitaan mittaamaan transimpedanssivahvistimella).
Aseta takaisinkytkentävastus ja kondensaattori mahdollisimman lähelle käyttövahvistinta.
On hyvä käyttää lyhyitä lyijyvastuksia.
Lisää virtakiskoon oikeat suodatinkondensaattorit, joilla on sekä suuret että pienet arvot.
Valitse oikea vahvistin, joka on erityisesti suunniteltu vahvistimen tätä tarkoitusta varten suunnittelun yksinkertaisuuden vuoksi.

Transimpedanssivahvistimen sovellukset

Transimpedanssivahvistin on tärkein virtasignaalin mittaustyökalu valon tunnistamiseen liittyvään toimintaan. Sitä käytetään laajalti kemian tekniikassa, paineanturissa, erityyppisissä kiihtyvyysantureissa, edistyneissä kuljettajan apujärjestelmissä ja LiDAR-tekniikassa, jota käytetään autonomisissa ajoneuvoissa.

Transimpedanssipiirin kriittisin osa on suunnittelun vakaus. Tämä johtuu loistaudista ja melusta. Suunnittelijan on oltava varovainen valitessaan oikean vahvistimen ja hänen on oltava varovainen käyttäessään oikeita piirilevyohjeita.