Трансимпедансен усилвател

За да се обяснят с прости думи, усилвателят Transimpedance е схема на преобразувател, която преобразува входния ток в пропорционално изходно напрежение. Както знаем, когато токът протича през резистор, той създава спад на напрежението в резистора, който ще бъде пропорционален на стойността на тока и самия резистор на стойността. Тук, ако приемем стойността на резистора за идеално постоянна, можем лесно да използваме закона на Омс, за да изчислим стойността на тока въз основа на стойността на напрежението. Това е най-основният преобразувател на ток в напрежение и тъй като ние използвахме резистор (пасивен елемент), за да постигнем това, той се нарича преобразувател на пасивен ток в напрежение.

От друга страна, усилвателят Transimpedance е преобразувател на активен ток в напрежение, тъй като използва активен компонент като Op-Amp за преобразуване на входния ток в пропорционално изходно напрежение. Също така е възможно да се изгради активна I до V преобразуватели с помощта на други активни съставки като BJTs, IGBT, MOSFET транзисторите, и т.н. Най-често използвания в момента на напрежение конвертор е трансимпулсен усилвател (TIA), така че в тази статия ще научите повече за него и как да го използвате във вашите схеми.

Значение на усилвателя на трансимпеданс

Сега, след като знаем, че дори резистор може да се използва за преобразуване на ток в напрежение, защо трябва да изграждаме активни преобразуватели на ток към напрежение, използвайки Op-Amp? Какво предимство и значение има пред преобразувателите за пасивен V към I?

За да отговорите на това, нека приемем, че фоточувствителен диод (източник на ток) осигурява ток през терминала си в зависимост от падащата върху него светлина и през фотодиода е свързан обикновен резистор с ниска стойност, за да преобразува изходния ток в пропорционално напрежение, както е показано на изображение по-долу.

Горната схема може да работи добре на теория, но на практика производителността ще бъде нарушена, тъй като фотодиодът също ще се състои от някои нежелани капацитивни свойства, наречени разсейващ капацитет. Поради това за по-малка стойност на сензорния резистор, времевата константа (t) (t = сензорно съпротивление x разсеян капацитет) ще бъде малка и следователно печалбата ще бъде ниска. Точно обратното ще се случи, ако чувствителното съпротивление се увеличи, усилването ще бъде голямо и времевата константа също ще бъде по-висока от малката стойност на резистора. Тази неравномерна печалба ще доведе до недостатъчно съотношение сигнал / шуми гъвкавостта на изходното напрежение е ограничена. Следователно, за да се отстранят проблемите с лошото усилване и шума, често се предпочита усилвател на трансимпеданс. Добавяйки към това в усилвател Transimpedance, дизайнерът може също да конфигурира честотната лента и реакцията на усилване на веригата според проектните изисквания.

Работа на усилвател на трансимпеданс

Схемата на усилвателя Transimpedance е прост инвертиращ усилвател с отрицателна обратна връзка. Заедно с усилвателя към обръщащия се край на усилвателя е свързан един резистор за обратна връзка (R1), както е показано по-долу.

Тъй като знаем, че входният ток на Op-Amp ще бъде нулев поради високия си входен импеданс, следователно токът от нашия източник на ток трябва да премине изцяло през резистор R1. Нека разгледаме този ток като Is. В този момент изходното напрежение (Vout) на Op-Amp може да се изчисли, като се използва формулата по-долу -

Vout = -Има x R1

Тази формула ще е вярна в идеална схема. Но в истинска верига операционният усилвател ще се състои от някаква стойност на входния капацитет и разсеяния капацитет през входните му щифтове, което може да доведе до отклонение на изхода и звънене, което прави цялата верига нестабилна. За да се преодолее този проблем, вместо един пасивен компонент са необходими два пасивни компонента за правилната работа на веригата на трансимпеданса. Тези два пасивни компонента са предишният резистор (R1) и допълнителен кондензатор (C1). И резисторът, и кондензаторът са свързани паралелно между отрицателния вход и изхода на усилвателите, както е показано по-долу.

Тук операционният усилвател отново е свързан в състояние на отрицателна обратна връзка чрез резистора R1 и кондензатора C1 като обратна връзка. Токът (Is), приложен към инвертиращия щифт на усилвателя Transimpedance, ще се преобразува в еквивалентно напрежение на изходната страна като Vout. Стойността на входния ток и стойността на резистора (R1) могат да се използват за определяне на изходното напрежение на усилвателя Transimpedance.

Изходното напрежение зависи не само от резистора за обратна връзка, но също така има връзка със стойността на кондензатора за обратна връзка C1. В схема честотната лента е надежден за обратна връзка кондензатор стойност С1, следователно тази стойност кондензатор може да променя широчината на честотната лента на цялостната верига. За стабилна работа на веригата в цялата честотна лента, формулите за изчисляване на стойността на кондензатора за необходимата честотна лента са показани по-долу.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Където R1 е резистор с обратна връзка и f _p е необходимата честотна лента.

В реална ситуация паразитният капацитет и входният капацитет на усилвателя играят жизненоважна роля за стабилността на усилвателя Transimpedance. Отговорът на усилване на шума на веригата също създава нестабилност поради маржа на фазовото изместване на фазата и причинява поведение на реакция на превишаване на стъпката.

Дизайн на усилвателя на трансимпеданс

За да разберем как да използваме TIA в практически проекти, нека проектираме такъв, като използваме един резистор и кондензатор и го симулираме, за да разберем как работи. Пълната схема за преобразувател на ток в напрежение с помощта на Op-amp е показана по-долу

Горната схема използва общ усилвател с ниска мощност LM358. Резисторът R1 действа като резистор с обратна връзка и кондензаторът служи за целта на кондензатор с обратна връзка. Усилвателят LM358 е свързан в конфигурация с отрицателна обратна връзка. Отрицателният входен щифт е свързан с постоянен източник на ток, а положителният щифт е свързан към земята или в потенциал 0. Тъй като това е симулация и цялостната схема работи тясно като идеална схема, стойността на кондензатора няма да повлияе много, но е от съществено значение, ако веригата е конструирана физически. 10pF е разумна стойност, но стойността на кондензатора може да се променя в зависимост от честотната лента на веригата, която може да се изчисли, като се използва C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p, както беше обсъдено по-рано.

За перфектната работа, оп-усилвателят получава захранване и от двойно захранващо релсово захранване, което е +/- 12V. Стойността на резистора за обратна връзка е избрана като 1k.

Симулация на усилвател на трансимпеданс

Горната схема може да бъде симулирана, за да се провери дали дизайнът работи както се очаква. Волтметър за постоянен ток е свързан през изхода на операционния усилвател за измерване на изходното напрежение на нашия усилвател Transimpedance. Ако веригата работи правилно, тогава стойността на изходното напрежение, показана на волтметъра, трябва да бъде пропорционална на тока, приложен към инвертиращия щифт на Op-Amp.

Пълното видео за симулация можете да намерите по-долу

В тестовия случай 1 входният ток през операционния усилвател се дава като 1mA. Тъй като входният импеданс на операционния усилвател е много висок, токът започва да тече през резистора за обратна връзка и изходното напрежение зависи от стойността на резистора за обратна връзка, умножена по течението, управлявано от формулата Vout = -Is x R1 като обсъждахме по-рано.

В нашата схема стойността на резистор R1 е 1k. Следователно, когато входният ток е 1mA, Vout ще бъде, Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt

Ако проверим резултата от симулация на ток към напрежение, той съвпада точно. Изходът стана положителен от ефекта на усилвателя Transimpedance.

В тестовия случай 2 входният ток през операционния усилвател се дава като.05mA или 500 микроампера. Следователно стойността на изходното напрежение може да бъде изчислена като.

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

Ако проверим резултата от симулацията, това също съвпада точно.

За пореден път това е резултат от симулация. Докато изграждането на веригата практически прост разсейващ капацитет може да доведе до постоянно постоянен ефект в тази схема. Дизайнерът трябва да внимава по отношение на долните точки, когато конструира физически.

Избягвайте макети или облицовани с мед плочи или всякакви други платки за свързване. Изградете веригата само на печатни платки.
Op-Amp трябва да бъде запоен директно към печатната платка без държач на IC.
Използвайте кратки следи за пътища за обратна връзка и източник на входящ ток (Фотодиод или подобни неща, които са необходими за измерване с усилвател Transimpedance).
Поставете резистора за обратна връзка и кондензатора възможно най- близо до операционния усилвател.
Добре е да използвате къси оловни резистори.
Добавете подходящи филтърни кондензатори с големи и малки стойности на захранващата шина.
Изберете подходящия усилвател, специално проектиран за тази цел на усилвателя за простота на дизайна.

Приложения на трансимпедансния усилвател

Трансимпедансният усилвател е най-важният инструмент за измерване на токов сигнал за работа, свързана със светлинно засичане. Той се използва широко в химическото инженерство, преобразувателите на налягане, различни видове акселерометри, усъвършенствани системи за подпомагане на водача и технологията LiDAR, която се използва в автономни превозни средства.

Най-критичната част от веригата на трансмипеданса е стабилността на дизайна. Това се дължи на паразитните и свързаните с шума проблеми. Дизайнерът трябва да бъде внимателен при избора на правилния усилвател и трябва да внимава да използва правилните указания за печатни платки.