- Importància de l'amplificador de transimpedància
- Funcionament de l'amplificador de transimpedància
- Disseny d'amplificadors de transimpedància
- Simulador d'amplificador de transimpedància
- Aplicacions de l'amplificador de transimpedància
Per explicar amb paraules simples, un amplificador de transimpedància és un circuit convertidor que converteix el corrent d'entrada en una tensió de sortida proporcional. Com sabem, quan el corrent flueix a través d’una resistència crea una caiguda de tensió a través de la resistència que serà proporcional al valor del corrent i al valor de la resistència en si. Aquí, assumint que el valor de la resistència és idealment constant, podem utilitzar fàcilment la llei d’Ohms per calcular el valor del corrent en funció del valor de la tensió. Aquest és el convertidor de corrent a voltatge més bàsic i, ja que hem utilitzat una resistència (element passiu) per aconseguir-ho, s’anomena convertidor de corrent a voltatge passiu.
D'altra banda, un amplificador de transimpedància és un convertidor actiu de tensió, ja que utilitza un component actiu com Op-Amp per convertir el corrent d'entrada a una tensió de sortida proporcional. També és possible construir activa I a V convertidors utilitzant altres components actius com els BJT, MOSFET, IGBT, etc. Els més utilitzats actual a l'convertidor de voltatge és el amplificador de transimpedància (TIA), pel que en aquest article anem a aprendre més sobre ell i com utilitzar-lo en els dissenys del vostre circuit.
Importància de l'amplificador de transimpedància
Ara que sabem que fins i tot es pot utilitzar una resistència per convertir el corrent en voltatge, per què hem de construir un convertidor de corrent actiu a voltatge mitjançant Op-Amp? Quin avantatge i importància té respecte als convertidors passius V a I?
Per respondre, suposem que un díode fotosensible (font de corrent) proporciona corrent a través del terminal en funció de la llum que hi caigui i es connecta una resistència simple de baix valor a través del fotodiode per convertir el corrent de sortida a una tensió proporcional, tal com es mostra a la imatge següent.
El circuit anterior podria funcionar bé per teoria, però a la pràctica el rendiment es descorticarà perquè el fotodiode també consistirà en algunes propietats capacitives no desitjades anomenades capacitats perdudes. A causa d'això, per a un valor menor de la resistència de sentit, la constant de temps (t) (t = resistència de sentit x Capacitat perduda) serà petita i, per tant, el guany serà baix. Passarà exactament el contrari si augmenta la resistència sensorial, el guany serà elevat i la constant de temps també serà superior al valor de la resistència petita. Aquest guany desigual provocarà una relació senyal-soroll insuficienti la flexibilitat del voltatge de sortida és limitada. Per tant, per solucionar els problemes relacionats amb el guany i el soroll, sovint es prefereix un amplificador de transimpedància. A més, en un amplificador de transimpedància, el dissenyador també pot configurar l’amplada de banda i la resposta de guany del circuit segons els requisits de disseny.
Funcionament de l'amplificador de transimpedància
El circuit amplificador de transimpedància és un simple amplificador inversor amb retroalimentació negativa. Juntament amb l'amplificador, es connecta una resistència de retroalimentació única (R1) a l'extrem inversor de l'amplificador, tal com es mostra a continuació.
Com sabem, el corrent d'entrada d'un Op-Amp serà zero a causa de la seva elevada impedància d'entrada, per tant el corrent de la nostra font actual ha de passar completament per la resistència R1. Considerem aquest corrent com és. En aquest punt, el voltatge de sortida (Vout) de l’amplificador operatiu es pot calcular mitjançant la fórmula següent:
Vout = -És x R1
Aquesta fórmula es mantindrà certa en un circuit ideal. Però en un circuit real, l’amplificador operacional consistirà en un cert valor de la capacitat d’entrada i de la capacitat perduda a través dels seus pins d’entrada que podrien provocar una deriva de sortida i una oscil·lació de so, fent que tot el circuit sigui inestable. Per superar aquest problema, en lloc d’un sol component passiu, es necessiten dos components passius per al bon funcionament del circuit de transimpedància. Aquests dos components passius són la resistència anterior (R1) i un condensador addicional (C1). Tant la resistència com el condensador estan connectats en paral·lel entre els amplificadors d'entrada negativa i sortida com es mostra a continuació.
L'amplificador operacional aquí es torna a connectar en estat de retroalimentació negativa a través de la resistència R1 i el condensador C1 com a retroalimentació. El corrent (Is) aplicat al pin d'inversió de l'amplificador de transimpedància es convertirà en voltatge equivalent al costat de sortida com Vout. El valor del corrent d'entrada i el valor de la resistència (R1) es poden utilitzar per determinar la tensió de sortida de l'amplificador de transimpedància.
El voltatge de sortida no només depèn de la resistència de retroalimentació, sinó que també té una relació amb el valor del condensador de retroalimentació C1. L' amplada de banda del circuit és fiable del valor del condensador de retroalimentació C1, per tant, aquest valor del condensador pot alterar l'amplada de banda del circuit general. Per al funcionament estable del circuit en tota l’amplada de banda, a continuació es mostren les fórmules per calcular el valor del condensador per a l’amplada de banda requerida.
C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf p
On, R1 és la resistència de retroalimentació i f p és la freqüència d'ample de banda requerida.
En una situació real, la capacitat paràsita i la capacitat d’entrada de l’amplificador tenen un paper vital en l’estabilitat de l’amplificador de transimpedància. La resposta de guany de soroll del circuit també crea inestabilitat a causa del marge de desplaçament de fase del circuit i provoca un comportament de resposta de pas excessiu.
Disseny d'amplificadors de transimpedància
Per entendre com utilitzar TIA en dissenys pràctics, en dissenyem un amb una sola resistència i un condensador i simulem-lo per comprendre el seu funcionament. A continuació es mostra el circuit complet del convertidor de corrent a voltatge que utilitza amplificador Op
El circuit anterior utilitza un amplificador genèric de baixa potència LM358. La resistència R1 actua com una resistència de retroalimentació i el condensador serveix per a un condensador de retroalimentació. L'amplificador LM358 està connectat en una configuració de retroalimentació negativa. El pin d'entrada negatiu està connectat a una font de corrent constant i el pin positiu està connectat a terra o en potencial 0. Com que és una simulació i el circuit general funciona estretament com un circuit ideal, el valor del condensador no afectaria molt, però és essencial si el circuit es construeix físicament. 10pF és un valor raonable, però el valor del condensador es pot canviar en funció de l’amplada de banda de freqüència dels circuits que es pot calcular utilitzant C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf p com s’ha comentat anteriorment.
Per a un funcionament perfecte, l’amplificador operatiu també obté energia mitjançant un subministrament de doble carril d’alimentació que és de +/- 12V. El valor de la resistència de retroalimentació es selecciona com a 1k.
Simulador d'amplificador de transimpedància
Es pot simular el circuit anterior per comprovar si el disseny funciona com s’esperava. Es connecta un voltímetre de CC a la sortida de l'amplificador operacional per mesurar la tensió de sortida del nostre amplificador de transimpedància. Si el circuit funciona correctament, el valor de la tensió de sortida que es mostra al voltímetre ha de ser proporcional al corrent aplicat al pin d'inversió de l'Op-Amp.
El vídeo de simulació complet es pot trobar a continuació
En el cas de prova 1, el corrent d’entrada a l’ampli operatiu es dóna com a 1 mA. Com que la impedància d’entrada de l’ampli operatiu és molt alta, el corrent comença a fluir a través de la resistència de retroalimentació i la tensió de sortida és fiable del valor de la resistència de retroalimentació que flueix el corrent, governat per la fórmula Vout = -Is x R1 com hem comentat anteriorment.
Al nostre circuit el valor de la resistència R1 és 1k. Per tant, quan el corrent d’entrada sigui 1mA, el Vout serà, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt
Si comprovem el resultat de la simulació de corrent a tensió, coincideix exactament. La sortida es va fer positiva per l'efecte de l'amplificador de transimpedància.
En el cas de prova 2, el corrent d’entrada a l’ampli operatiu es dóna com a 0,05 mA o 500 microamperis. Per tant, el valor de la tensió de sortida es pot calcular com a.
Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ohms Vout =, 5 Volt
Si comprovem el resultat de la simulació, també coincideix exactament.
Una vegada més, aquest és un resultat de simulació. Si es construeix el circuit, la capacitat perduda pràcticament simple podria produir un efecte constant de temps en aquest circuit. El dissenyador ha de tenir cura dels punts següents a l'hora de construir físicament.
- Eviteu les taules de pa, les taules revestides de coure o qualsevol altra placa de tires. Construïu el circuit només a PCB.
- L’Op-Amp s’ha de soldar directament al PCB sense suport IC.
- Utilitzeu traços curts per als camins de retroalimentació i la font de corrent d’entrada (fotodíode o coses similars que es necessiten per mesurar mitjançant un amplificador de transimpedància).
- Col·loqueu la resistència de retroalimentació i el condensador el més a prop possible de l'amplificador operacional.
- És bo utilitzar resistències curtes de plom.
- Afegiu condensadors de filtre adequats amb valors grans i petits al rail d'alimentació.
- Trieu un amplificador operatiu adequat especialment dissenyat per a aquest propòsit de l'amplificador per simplificar el disseny.
Aplicacions de l'amplificador de transimpedància
Un amplificador de transimpedància és l’ eina de mesura de senyal de corrent més essencial per al funcionament relacionat amb la detecció de llum. S’utilitza àmpliament en enginyeria química, transductors de pressió, diferents tipus d’acceleròmetres, sistemes avançats d’ajuda al conductor i tecnologia LiDAR que s’utilitza en vehicles autònoms.
La part més important del circuit de transimpedància és l'estabilitat del disseny. Això es deu als problemes parasitaris i relacionats amb el soroll. El dissenyador ha de tenir precaució a l’hora d’escollir l’amplificador adequat i ha de tenir cura d’utilitzar les directrius adequades del PCB.