Transimpedantie versterker

Om in eenvoudige bewoordingen uit te leggen: een transimpedantieversterker is een omzetcircuit dat de ingangsstroom omzet in een proportionele uitgangsspanning. Zoals we weten wanneer er stroom door een weerstand vloeit, ontstaat er een spanningsval over de weerstand die evenredig is met de waarde van de stroom en de waardeweerstand zelf. Hier, ervan uitgaande dat de waarde van de weerstand idealiter constant is, kunnen we de wet van Ohms gemakkelijk gebruiken om de waarde van de stroom te berekenen op basis van de waarde van de spanning. Dit is de meest elementaire stroom-naar-spanningsomvormer, en aangezien we een weerstand (passief element) hebben gebruikt om dit te bereiken, wordt deze een passieve stroom-naar-spanningsomvormer genoemd.

Aan de andere kant is een transimpedantieversterker een actieve stroom-naar-spanningsomvormer, omdat deze een actieve component zoals Op-Amp gebruikt om de ingangsstroom om te zetten in een proportionele uitgangsspanning. Het is ook mogelijk om actieve I naar V-converters te bouwen met andere actieve componenten zoals BJT's, IGBT's, MOSFET's enz. De meest gebruikte stroom-naar-spanning-omzetter is de Transimpedance Amplifier (TIA), dus in dit artikel zullen we er meer over leren en hoe u het in uw circuitontwerpen kunt gebruiken.

Belang van transimpedantieversterker

Nu we weten dat zelfs een weerstand kan worden gebruikt om stroom in spanning om te zetten, waarom moeten we dan een actieve stroom naar spanningsomzetters opbouwen met Op-Amp? Welk voordeel en belang heeft het ten opzichte van passieve V naar I-converters?

Om dat te beantwoorden, laten we aannemen dat een fotogevoelige diode (stroombron) stroom levert over zijn aansluiting, afhankelijk van het licht dat erop valt en een eenvoudige laagwaardige weerstand is verbonden over de fotodiode om de uitgangsstroom om te zetten in een proportionele spanning zoals weergegeven in de afbeelding hieronder.

Het bovenstaande circuit zou theoretisch goed kunnen werken, maar in de praktijk zal de prestatie worden gedecortificeerd omdat de fotodiode ook enkele ongewenste capacitieve eigenschappen zal bevatten die strooicapaciteit worden genoemd. Hierdoor zal voor een kleinere waarde van de detectieweerstand de tijdconstante (t) (t = detectieweerstand x verdwaalde capaciteit) klein zijn en daarom zal de versterking laag zijn. Precies het tegenovergestelde gebeurt als de detectieweerstand wordt verhoogd, de versterking zal hoog zijn en de tijdconstante zal ook hoger zijn dan de kleine weerstandswaarde. Deze ongelijke versterking zal leiden tot een onvoldoende signaal / ruisverhoudingen de flexibiliteit van de uitgangsspanning is beperkt. Daarom verdient een transimpedantieversterker vaak de voorkeur om de slechte gain- en ruisgerelateerde problemen op te lossen. Als toevoeging aan een transimpedantieversterker, kan de ontwerper ook de bandbreedte en de versterkingsrespons van het circuit configureren volgens de ontwerpvereisten.

Werking van transimpedantieversterker

Het transimpedantie versterkercircuit is een eenvoudige inverterende versterker met negatieve feedback. Samen met de versterker is een enkele feedbackweerstand (R1) verbonden met het inverterende uiteinde van de versterker, zoals hieronder weergegeven.

Zoals we weten, zal de ingangsstroom van een Op-Amp nul zijn vanwege de hoge ingangsimpedantie, daarom moet de stroom van onze huidige bron volledig door weerstand R1 gaan. Laten we deze stroom beschouwen als Is. Op dit punt kan de uitgangsspanning (Vout) van de Op-Amp worden berekend met behulp van de onderstaande formule -

Vout = -Is x R1

Deze formule zal gelden in een ideaal circuit. Maar in een echt circuit zal de op-amp bestaan uit een bepaalde waarde van ingangscapaciteit en strooicapaciteit over zijn ingangspennen, wat uitgangsdrift en oscillatie kan veroorzaken, waardoor het hele circuit onstabiel wordt. Om dit probleem op te lossen, zijn in plaats van een enkele passieve component twee passieve componenten nodig voor de goede werking van het transimpedantiecircuit. Die twee passieve componenten zijn de vorige weerstand (R1) en een extra condensator (C1). Zowel de weerstand als de condensator zijn parallel geschakeld tussen de negatieve ingang en de uitgang van de versterker, zoals hieronder weergegeven.

De operationele versterker is hier weer in tegenkoppeling geschakeld via de weerstand R1 en de condensator C1 als terugkoppeling. De stroom (Is) die wordt toegepast op de inverterende pin van de transimpedantieversterker wordt omgezet in een equivalente spanning aan de uitgangszijde als Vout. De waarde van de ingangsstroom en de waarde van weerstand (R1) kunnen worden gebruikt om de uitgangsspanning van de transimpedantieversterker te bepalen.

De uitgangsspanning is niet alleen afhankelijk van de feedbackweerstand, maar heeft ook een relatie met de waarde van de feedbackcondensator C1. De circuitbandbreedte is afhankelijk van de feedbackcondensatorwaarde C1, daarom kan deze condensatorwaarde de bandbreedte van het totale circuit wijzigen. Voor de stabiele werking van het circuit in de gehele bandbreedte, worden de formules om de condensatorwaarde voor de vereiste bandbreedte te berekenen hieronder weergegeven.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Waarbij, R1 de feedbackweerstand is en de f _p de vereiste bandbreedtefrequentie.

In een echte situatie spelen parasitaire capaciteit en de ingangscapaciteit van de versterker een cruciale rol in de stabiliteit van de transimpedantieversterker. Het geluid versterkingsresponsie van de schakeling zorgt ook instabiliteit vanwege schakeling faseverschuiving marge en veroorzaken overshoot stapresponsie gedrag.

Transimpedantie versterker ontwerp

Om te begrijpen hoe TIA in praktische ontwerpen te gebruiken, laten we er een ontwerpen met een enkele weerstand en condensator en deze simuleren om de werking ervan te begrijpen. Het complete circuit voor stroom-naar-spanningsomvormer met behulp van Op-amp wordt hieronder weergegeven

Het bovenstaande circuit maakt gebruik van de generieke versterker met laag vermogen LM358. De weerstand R1 werkt als een terugkoppelweerstand en de condensator dient als een terugkoppelcondensator. De versterker LM358 is aangesloten in een tegenkoppelingsconfiguratie. De negatieve ingangspen is verbonden met een constante stroombron en de positieve pen is verbonden met de aarde of in 0-potentiaal. Omdat het een simulatie is en het algehele circuit nauw samenwerkt als een ideaal circuit, zou de condensatorwaarde niet veel beïnvloeden, maar het is essentieel als het circuit fysiek is geconstrueerd. 10pF is een redelijke waarde, maar de condensatorwaarde kan worden gewijzigd afhankelijk van de frequentiebandbreedte van de schakeling die kan worden berekend met C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p, zoals eerder besproken.

Voor de perfecte werking krijgt de op-amp ook stroom van een dubbele stroomrail die +/- 12V is. De waarde van de terugkoppelweerstand is geselecteerd als 1k.

Transimpedantie versterker simulatie

Het bovenstaande circuit kan worden gesimuleerd om te controleren of het ontwerp werkt zoals verwacht. Een DC voltmeter is aangesloten over de op-amp-uitgang om de uitgangsspanning van onze transimpedantieversterker te meten. Als het circuit correct werkt, moet de waarde van de uitgangsspanning die wordt weergegeven op de voltmeter evenredig zijn met de stroom die wordt toegepast op de inverterende pin van de Op-Amp.

De volledige simulatievideo vindt u hieronder

In testgeval 1 wordt de ingangsstroom over de op-amp gegeven als 1mA. Omdat de ingangsimpedantie van de op-amp erg hoog is, begint de stroom door de feedbackweerstand te stromen en is de uitgangsspanning afhankelijk van de waarde van de feedbackweerstand maal de stroom vloeit, bepaald door de formule Vout = -Is x R1 als we eerder besproken.

In ons circuit is de waarde van weerstand R1 1k. Daarom, wanneer de ingangsstroom 1mA is, zal de Vout zijn, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Als we ons simulatieresultaat van stroom naar spanning controleren, komt het exact overeen. De output werd positief door het effect van de transimpedantieversterker.

In testgeval 2 wordt de ingangsstroom over de op-amp weergegeven als 0,05 mA of 500 micro-ampère. Daarom kan de waarde van de uitgangsspanning worden berekend als.

Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ohm Vout = 0,5 Volt

Als we het simulatieresultaat controleren, komt dit ook exact overeen.

Dit is wederom een simulatieresultaat. Tijdens het bouwen van het circuit zou praktisch eenvoudige strooicapaciteit in dit circuit een tijdconstant effect kunnen produceren. De ontwerper moet voorzichtig zijn met de onderstaande punten bij het fysiek construeren.

Vermijd breadboards of met koper beklede platen of andere stripplaten voor verbinding. Bouw het circuit alleen op PCB.
De Op-Amp moet rechtstreeks op de printplaat worden gesoldeerd zonder IC-houder.
Gebruik korte sporen voor feedbackpaden en de ingangsstroombron (fotodiode of soortgelijke dingen die moeten worden gemeten door een transimpedantieversterker).
Plaats de feedbackweerstand en de condensator zo dicht mogelijk bij de operationele versterker.
Het is goed om korte loodhoudende weerstanden te gebruiken.
Voeg de juiste filtercondensatoren met zowel grote als kleine waarden toe aan de voedingsrail.
Kies de juiste op-amp die speciaal voor dit doel van de versterker is ontworpen vanwege de eenvoud van het ontwerp.

Toepassingen van transimpedantieversterker

Een transimpedantieversterker is het meest essentiële instrument voor het meten van stroomsignalen voor lichtdetectie. Het wordt veel gebruikt in de chemische technologie, druktransducers, verschillende soorten versnellingsmeters, geavanceerde rijhulpsystemen en LiDAR-technologie die wordt gebruikt in autonome voertuigen.

Het meest kritische onderdeel van het transimpedantiecircuit is ontwerpstabiliteit. Dit komt door de parasitaire en geluidsgerelateerde problemen. De ontwerper moet voorzichtig zijn bij het kiezen van de juiste versterker en moet de juiste PCB-richtlijnen gebruiken.