Penguat transimpedans

Untuk menjelaskan dengan kata mudah penguat Transimpedance adalah litar penukar yang menukar arus input ke voltan keluaran berkadar. Seperti yang kita ketahui ketika arus mengalir melalui perintang, ia menghasilkan penurunan voltan di perintang yang akan sebanding dengan nilai arus dan nilai perintang itu sendiri. Di sini, dengan anggapan nilai perintang tetap ideal, kita boleh menggunakan Ohms Law dengan mudah untuk mengira nilai arus berdasarkan nilai Voltan. Ini adalah Penukar Arus ke Voltan yang paling asas, dan kerana kami telah menggunakan perintang (elemen Pasif) untuk mencapainya, ia dipanggil sebagai Penukar Arus Pasif ke Voltan.

Sebaliknya penguat Transimpedance adalah arus aktif ke penukar voltan kerana menggunakan komponen aktif seperti Op-Amp untuk menukar arus input ke voltan keluaran berkadar. Adalah mungkin juga untuk membina penukar I ke V yang aktif menggunakan komponen aktif lain seperti BJT, IGBT, MOSFET dll. Yang paling biasa digunakan Pengubah arus ke voltan adalah Penguat Transimpedans (TIA), jadi dalam artikel ini kita akan mengetahui lebih lanjut mengenainya dan bagaimana menggunakannya dalam reka bentuk litar anda.

Kepentingan Penguat Transimpedans

Sekarang kita tahu bahkan perintang boleh digunakan untuk menukar arus ke voltan, mengapa kita harus membina arus aktif ke penukar voltan menggunakan Op-Amp? Apa kelebihan dan kepentingan yang dimiliki oleh penukar Passive V to I?

Untuk menjawab bahawa anggap diod fotosensitif (sumber semasa) memberikan arus di terminalnya bergantung pada cahaya yang jatuh di atasnya dan perintang nilai rendah sederhana disambungkan di seluruh fotodioda untuk menukar arus keluaran menjadi voltan berkadar seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah.

Litar di atas mungkin berfungsi dengan baik oleh teori tetapi dalam praktiknya performanya akan dikurangkan kerana foto-dioda juga akan terdiri daripada beberapa sifat kapasitif yang tidak diingini yang disebut stray capacitance. Oleh kerana ini untuk nilai perintang rasa yang lebih kecil, pemalar masa (t) (t = rintangan deria x Kapasitansi sesat) akan menjadi kecil dan oleh itu keuntungannya akan rendah. Sebaliknya akan berlaku sekiranya rintangan akal meningkat, keuntungan akan tinggi dan pemalar masa juga akan lebih tinggi daripada nilai perintang kecil. Keuntungan tidak sekata ini akan menyebabkan nisbah isyarat dan bunyi tidak mencukupidan fleksibiliti voltan keluaran terhad. Oleh itu, untuk memperbaiki masalah keuntungan dan kebisingan yang buruk, penguat Transimpedance sering disukai. Menambah ini dalam penguat Transimpedance, pereka juga dapat mengkonfigurasi lebar jalur dan respon penguatan litar sesuai dengan keperluan reka bentuk.

Kerja Penguat Transimpedans

Litar penguat Transimpedance adalah penguat Pembalik ringkas dengan maklum balas negatif. Bersama dengan penguat, satu perintang umpan balik (R1) disambungkan ke hujung Amplifier terbalik seperti yang ditunjukkan di bawah.

Seperti yang kita ketahui arus input Op-Amp akan menjadi sifar kerana impedans inputnya yang tinggi, oleh itu arus dari sumber semasa kita harus melalui perintang R1 sepenuhnya. Mari kita anggap arus ini sebagai Is. Pada ketika ini, voltan keluaran (Vout) Op-Amp dapat dikira menggunakan formula di bawah -

Vout = -Adakah x R1

Formula ini akan berlaku dalam litar yang ideal. Tetapi dalam litar sebenar, op-amp akan terdiri daripada beberapa nilai kapasitansi input dan kapasitansi sesat pada pin inputnya yang boleh menyebabkan output melayang dan bergetar berdering, menjadikan keseluruhan litar tidak stabil. Untuk mengatasi masalah ini, bukannya komponen pasif tunggal, dua komponen pasif diperlukan untuk kerja litar Transimpedance yang betul. Kedua-dua komponen pasif itu adalah perintang sebelumnya (R1) dan kapasitor tambahan (C1). Kedua-dua perintang dan kapasitor disambungkan secara selari antara input negatif penguat dan output seperti yang ditunjukkan di bawah.

Penguat operasi di sini sekali lagi disambungkan dalam keadaan maklum balas negatif melalui perintang R1 dan kapasitor C1 sebagai maklum balas. Arus (Is) yang digunakan pada pin Pembalik dari penguat Transimpedance akan ditukar menjadi voltan yang setara di sisi output sebagai Vout. Nilai arus input dan nilai perintang (R1) dapat digunakan untuk menentukan voltan keluaran penguat Transimpedance.

Voltan output tidak hanya bergantung pada perintang maklum balas, tetapi juga mempunyai hubungan dengan nilai kapasitor maklum balas C1. Lebar jalur litar bergantung pada nilai kapasitor maklum balas C1, oleh itu nilai kapasitor ini dapat mengubah lebar jalur litar keseluruhan. Untuk operasi litar yang stabil di seluruh lebar jalur, formula untuk mengira nilai kapasitor untuk lebar jalur yang diperlukan ditunjukkan di bawah.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Di mana, R1 adalah perintang maklum balas dan f _p adalah frekuensi lebar jalur yang diperlukan.

Dalam keadaan sebenar, kapasitansi parasit dan kapasitansi input penguat memainkan peranan penting dalam kestabilan penguat Transimpedansi. Tindak balas peningkatan bunyi dari litar juga menimbulkan ketidakstabilan kerana margin peralihan fasa litar dan menyebabkan tingkah laku tindak balas langkah berlebihan.

Reka Bentuk Penguat Transimpedans

Untuk memahami bagaimana menggunakan TIA dalam reka bentuk praktikal, mari reka satu menggunakan perintang dan kapasitor tunggal dan simulasi untuk memahami cara kerjanya. Litar lengkap untuk penukar arus ke voltan menggunakan Op-amp ditunjukkan di bawah

Litar di atas menggunakan penguat daya rendah generik LM358. Perintang R1 bertindak sebagai perintang maklum balas dan kapasitor melayani tujuan kapasitor maklum balas. Penguat LM358 disambungkan dalam konfigurasi maklum balas negatif. Pin input negatif disambungkan ke sumber arus tetap dan pin positif disambungkan ke tanah atau dalam 0 potensi. Oleh kerana ia adalah simulasi dan litar keseluruhan berfungsi rapat sebagai litar yang ideal, nilai kapasitor tidak akan banyak mempengaruhi tetapi sangat penting jika litar dibina secara fizikal. 10pF adalah nilai yang berpatutan tetapi nilai kapasitor dapat diubah bergantung pada lebar jalur frekuensi litar yang dapat dikira menggunakan C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p seperti yang dibincangkan sebelumnya.

Untuk operasi yang sempurna, op-amp juga mendapat kuasa dari bekalan rel kuasa dua iaitu +/- 12V. Nilai perintang maklum balas dipilih sebagai 1k.

Simulasi penguat transimpedans

Litar di atas dapat disimulasikan untuk memeriksa apakah reka bentuk berjalan seperti yang diharapkan. Voltmeter DC disambungkan melintasi output op-amp untuk mengukur voltan keluaran penguat Transimpedance kami. Sekiranya litar berfungsi dengan baik, maka nilai voltan keluaran yang ditunjukkan pada voltmeter harus sebanding dengan arus yang digunakan pada pin pembalik Op-Amp.

Video simulasi lengkap boleh didapati di bawah

Dalam kes ujian 1, arus input merentasi op-amp diberikan sebagai 1mA. Oleh kerana impedans input op-amp sangat tinggi, arus mula mengalir melalui resistor maklum balas dan voltan output bergantung pada nilai perintang maklum balas semasa arus mengalir, diatur oleh formula Vout = -Is x R1 sebagai kita telah membincangkannya lebih awal.

Di litar kami nilai Resistor R1 ialah 1k. Oleh itu, apabila arus input adalah 1mA, Vout akan menjadi, Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Sekiranya kita memeriksa hasil simulasi Arus ke Voltan kami, ia sepadan dengan tepat. Hasilnya menjadi positif oleh kesan penguat Transimpedance.

Dalam kes ujian 2, arus input melintasi op-amp diberikan sebagai.05mA atau 500 mikroamper. Oleh itu nilai voltan keluaran dapat dikira sebagai.

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

Sekiranya kita memeriksa hasil simulasi, ini juga sesuai.

Sekali lagi ini adalah hasil simulasi. Semasa membina litar, kapasitansi sesat yang sederhana dapat menghasilkan kesan pemalar masa dalam litar ini. Pereka harus berhati-hati dengan perkara-perkara di bawah ini semasa membina secara fizikal.

1. Elakkan papan roti atau papan berpakaian tembaga atau papan jalur lain untuk sambungan. Bina litar hanya pada PCB.
2. Op-Amp perlu disolder terus ke PCB tanpa pemegang IC.
3. Gunakan jejak pendek untuk laluan maklum balas dan sumber arus input (Photodiode atau perkara serupa yang perlu diukur oleh penguat Transimpedance).
4. Letakkan perintang maklum balas dan kapasitor sedekat mungkin dengan penguat operasi.
5. Adalah baik untuk menggunakan perintang bertentangan pendek.
6. Tambahkan kapasitor penapis yang betul dengan nilai besar dan kecil pada rel bekalan kuasa.
7. Pilih op-amp yang betul yang direka khas untuk tujuan penguat ini untuk kesederhanaan reka bentuk.

Aplikasi Transimpedance Amplifier

Penguat Transimpedans adalah alat pengukuran isyarat semasa yang paling penting untuk operasi berkaitan penginderaan cahaya. Ia digunakan secara meluas dalam teknik kimia, transduser tekanan, berbagai jenis akselerometer, sistem bantuan pemandu canggih dan teknologi LiDAR yang digunakan dalam kenderaan autonomi.

Bahagian yang paling kritikal dari litar Transimpedance adalah kestabilan reka bentuk. Ini kerana masalah parasit dan kebisingan. Pereka mesti berhati-hati memilih penguat yang betul dan harus berhati-hati menggunakan garis panduan PCB yang betul.