Transimpedansförstärkare

För att förklara med enkla ord är en transimpedansförstärkare en omvandlarkrets som omvandlar ingångsströmmen till en proportionell utspänning. Som vi vet när ström flyter genom ett motstånd skapar det ett spänningsfall över motståndet som kommer att vara proportionellt mot värdet på strömmen och värdemotståndet i sig. Här, förutsatt att värdet på motståndet är idealt konstant kan vi enkelt använda Ohms Law för att beräkna strömvärdet baserat på värdet på spänningen. Detta är den mest grundläggande ström till spänningsomvandlaren, och eftersom vi har använt ett motstånd (passivt element) för att åstadkomma detta kallas det som en passiv ström till spänningsomvandlare.

Å andra sidan är en transimpedansförstärkare en aktiv ström till spänningsomvandlare eftersom den använder en aktiv komponent som Op-Amp för att konvertera ingångsströmmen till en proportionell utspänning. Det är också möjligt att bygga aktiva I till V-omvandlare med andra aktiva komponenter som BJT, IGBT, MOSFET etc. Den vanligaste ström-till-spänningsomvandlaren är Transimpedance Amplifier (TIA), så i den här artikeln lär vi oss mer om det och hur man använder den i dina kretskonstruktioner.

Betydelsen av transimpedansförstärkare

Nu när vi vet att även ett motstånd kan användas för att omvandla ström till spänning, varför måste vi bygga en aktiv ström till spänningsomvandlare med hjälp av Op-Amp? Vilken fördel och betydelse har den jämfört med Passive V till I-omvandlare?

För att svara kan vi anta att en ljuskänslig diod (strömkälla) ger ström över sin terminal beroende på ljuset som faller på den och ett enkelt lågvärdesmotstånd är anslutet över fotodioden för att omvandla utgångsströmmen till en proportionell spänning som visas i bilden nedan.

Ovanstående krets kan fungera bra av teorin, men i praktiken kommer prestandan att avbrytas eftersom fotodioden också kommer att bestå av några oönskade kapacitiva egenskaper som kallas stray capacitance. På grund av detta för ett mindre värde av avkänningsmotstånd kommer tidskonstanten (t) (t = avkänningsmotstånd x Strökapacitans) att vara liten och därmed kommer förstärkningen att vara låg. Den motsatta kommer att hända om avkänningsmotståndet ökar, förstärkningen blir hög och tidskonstanten också är högre än det lilla motståndsvärdet. Denna ojämna förstärkning leder till ett otillräckligt förhållande mellan signal och brusoch flexibiliteten hos utspänningen är begränsad. Därför föredrar man ofta en transimpedansförstärkare för att åtgärda problem med dålig förstärkning och brus. Genom att lägga till detta i en transimpedansförstärkare kan designern också konfigurera kretsens bandbredd och förstärkningssvar enligt designkraven.

Arbeta med transimpedansförstärkare

Transimpedansförstärkarkretsen är en enkel inverterande förstärkare med negativ återkoppling. Tillsammans med förstärkaren är ett enda återkopplingsmotstånd (R1) anslutet till den inverterande änden av förstärkaren enligt nedan.

Som vi vet kommer ingångsströmmen för en Op-Amp att vara noll på grund av dess höga ingångsimpedans, varför strömmen från vår nuvarande källa måste passera helt genom motståndet R1. Låt oss betrakta den här strömmen som den är. Vid denna tidpunkt kan utspänningen (Vout) för Op-Amp beräknas med hjälp av formeln nedan -

Vout = -Is x R1

Denna formel kommer att gälla i en ideal krets. Men i en riktig krets kommer op-förstärkaren att bestå av något värde av ingångskapacitans och avvikande kapacitans över dess ingångsstift som kan orsaka utgångsavdrift och ringande svängning, vilket gör hela kretsen instabil. För att övervinna detta problem krävs istället för en enda passiv komponent två passiva komponenter för att Transimpedanskretsen ska fungera korrekt. Dessa två passiva komponenter är det tidigare motståndet (R1) och en ytterligare kondensator (C1). Både motståndet och kondensatorn är anslutna parallellt mellan förstärkarens negativa ingång och utgången som visas nedan.

Operationsförstärkaren är här återigen ansluten i negativt återkopplingstillstånd genom motståndet R1 och kondensatorn Cl som återkoppling. Strömmen (Is) som appliceras på Transimpedansförstärkarens inverteringsstift kommer att omvandlas till ekvivalent spänning på utgångssidan som Vout. Värdet på ingångsströmmen och värdet på motståndet (R1) kan användas för att bestämma transimpedansförstärkarens utspänning.

Utgångsspänningen är inte bara beroende av återkopplingsmotståndet, utan har också ett samband med värdet på återkopplingskondensatorn C1. Kretsen bandbredd är pålitlig på återkopplingskondensatorn värdet C1, därför denna kondensator värde kan ändra bandbredden för den totala kretsen. För den stabila driften av kretsen i hela bandbredden visas formlerna för att beräkna kondensatorvärdet för erforderlig bandbredd nedan.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Där, R1 är återkopplingsmotståndet och f _p är frekvensen nödvändiga bandbredden.

I en verklig situation spelar parasitisk kapacitans och förstärkarens ingångskapacitans en viktig roll i Transimpedansförstärkarens stabilitet. Kretsens brusförstärkningsrespons skapar också instabilitet på grund av kretsfasförskjutningsmarginalen och orsakar överhoppningsstegsvar.

Transimpedans förstärkare design

För att förstå hur man använder TIA i praktiska konstruktioner, låt oss designa en med ett enda motstånd och kondensator och simulera den för att förstå hur den fungerar. Hela kretsen för ström till spänningsomvandlare med hjälp av Op-amp visas nedan

Ovanstående krets använder generisk lågeffektförstärkare LM358. Motståndet R1 fungerar som ett återkopplingsmotstånd och kondensatorn tjänar syftet med en återkopplingskondensator. Förstärkaren LM358 är ansluten i en negativ återkopplingskonfiguration. Det negativa ingångsstiftet är anslutet till en konstant strömkälla och det positiva stiftet är anslutet till marken eller med potential 0. Eftersom det är en simulering och den totala kretsen fungerar nära som en ideal krets skulle kondensatorvärdet inte påverka mycket men det är viktigt om kretsen är konstruerad fysiskt. 10pF är ett rimligt värde men kondensatorvärdet kan ändras beroende på frekvensbandbredden för kretsarna som kan beräknas med C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p som diskuterats tidigare.

För den perfekta driften får op-förstärkaren också ström från en dubbel strömförsörjning som är +/- 12V. Återkopplingsmotståndets värde väljs som 1k.

Transimpedansförstärkare Simulering

Ovanstående krets kan simuleras för att kontrollera om designen fungerar som förväntat. En likspänningsmätare är ansluten över op-amp-utgången för att mäta utgångsspänningen på vår transimpedansförstärkare. Om kretsen fungerar som den ska bör värdet på utspänningen som visas på voltmätaren vara proportionell mot strömmen som appliceras på Op-Ampens inverterande stift.

Den kompletta simuleringsvideon hittar du nedan

I testfallet 1 ges ingångsströmmen över op-amp som 1mA. Eftersom op-förstärkarens ingångsimpedans är mycket hög, börjar strömmen att strömma genom återkopplingsmotståndet och utspänningen är beroende av återkopplingsmotståndets värde gånger strömmen flödar, styrs av formeln Vout = -Is x R1 som vi diskuterade tidigare.

I vår krets är värdet på motstånd R1 1k. Därför, när ingångsströmmen är 1mA, kommer Vout att vara, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Om vi kontrollerar vårt resultat från ström till spänning simulerar det exakt. Utgången blev positiv av effekten av Transimpedance förstärkare.

I testfallet 2 ges ingångsströmmen över op-amp som 0,05mA eller 500 mikroampere. Därför kan utspänningsvärdet beräknas som.

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

Om vi kontrollerar simuleringsresultatet matchar detta också exakt.

Återigen är detta ett simuleringsresultat. Medan man bygger kretsen kan praktiskt taget enkel avvikande kapacitans ge tidskonstant effekt i denna krets. Designern bör vara försiktig med nedanstående punkter när man konstruerar fysiskt.

Undvik brödbrädor eller kopparplattor eller andra remsor för anslutning. Bygg kretsen endast på kretskort.
Op-Amp måste lödas direkt på kretskortet utan IC-hållare.
Använd korta spår för återkopplingsvägar och ingångsströmskällan (fotodiod eller liknande saker som behövs för att mätas av en transimpedansförstärkare).
Placera återkopplingsmotståndet och kondensatorn så nära operationsförstärkaren som möjligt.
Det är bra att använda kortledda motstånd.
Lägg till lämpliga filterkondensatorer med både stora och små värden på strömförsörjningsskenan.
Välj rätt förstärkare speciellt utformad för detta ändamål för förstärkaren för enkelhetens design.

Tillämpningar av transimpedansförstärkare

En transimpedansförstärkare är det viktigaste verktyget för mätning av strömsignaler för ljusavkänningsrelaterad drift. Det används ofta inom kemiteknik, tryckgivare, olika typer av accelerometrar, avancerade förarassistanssystem och LiDAR-teknik som används i autonoma fordon.

Den mest kritiska delen av Transimpedanskretsen är konstruktionsstabilitet. Detta beror på problem med parasiter och buller. Designern måste vara försiktig med att välja rätt förstärkare och bör vara försiktig med att använda riktiga PCB-riktlinjer.