Ενισχυτής Transimpedance

Για να εξηγήσουμε με απλά λόγια, ένας ενισχυτής Transimpedance είναι ένα κύκλωμα μετατροπέα που μετατρέπει το ρεύμα εισόδου σε μια αναλογική τάση εξόδου. Όπως γνωρίζουμε όταν το ρεύμα ρέει μέσω μιας αντίστασης δημιουργεί πτώση τάσης στην αντίσταση η οποία θα είναι ανάλογη με την τιμή του ρεύματος και την ίδια την αντίσταση τιμής. Εδώ, υποθέτοντας ότι η τιμή της αντίστασης είναι ιδανικά σταθερή, μπορούμε εύκολα να χρησιμοποιήσουμε το Ohms Law για να υπολογίσουμε την τιμή του ρεύματος με βάση την τιμή της τάσης. Αυτός είναι ο πιο βασικός μετατροπέας ρεύματος σε τάση και αφού χρησιμοποιήσαμε μια αντίσταση (παθητικό στοιχείο) για να το πετύχουμε αυτό ονομάζεται μετατροπέας παθητικού ρεύματος σε τάση.

Από την άλλη πλευρά, ένας ενισχυτής Transimpedance είναι ένας μετατροπέας ενεργού ρεύματος σε τάση, καθώς χρησιμοποιεί ένα ενεργό στοιχείο όπως το Op-Amp για τη μετατροπή του ρεύματος εισόδου σε αναλογική τάση εξόδου. Είναι επίσης δυνατή η δημιουργία ενεργών μετατροπέων I σε V χρησιμοποιώντας άλλα ενεργά συστατικά όπως BJTs, IGBTs, MOSFETs κ.λπ. Ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος μετατροπέας ρεύματος σε τάση είναι ο ενισχυτής Transimpedance (TIA), οπότε σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε περισσότερα για αυτό και πώς να το χρησιμοποιήσετε στα σχέδια κυκλωμάτων σας.

Σημασία του ενισχυτή Transimpedance

Τώρα που γνωρίζουμε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη και μια αντίσταση για τη μετατροπή ρεύματος σε τάση, γιατί πρέπει να δημιουργήσουμε ένα ενεργό μετατροπέα ρεύματος σε τάση χρησιμοποιώντας Op-Amp; Τι πλεονέκτημα και σημασία έχει στους μετατροπείς Passive V to I;

Για να απαντήσουμε ότι ας υποθέσουμε ότι μια φωτοευαίσθητη δίοδος (πηγή ρεύματος) παρέχει ρεύμα σε όλο το τερματικό της ανάλογα με το φως που πέφτει πάνω της και μια απλή αντίσταση χαμηλής τιμής συνδέεται κατά μήκος της φωτοδιόδου για να μετατρέψει το ρεύμα εξόδου σε αναλογική τάση όπως φαίνεται στο παρακάτω εικόνα.

Το παραπάνω κύκλωμα μπορεί να λειτουργήσει καλά από τη θεωρία, αλλά στην πράξη η απόδοση θα αποσυνδεθεί επειδή η φωτοδίοδος θα αποτελείται επίσης από μερικές ανεπιθύμητες χωρητικές ιδιότητες που ονομάζονται αδέσποτη χωρητικότητα. Λόγω αυτού για μια μικρότερη τιμή αντίστασης αίσθησης, η σταθερά χρόνου (t) (t = αντίσταση αίσθησης x Χωρητικότητα αδέσποτου) θα είναι μικρή και ως εκ τούτου το κέρδος θα είναι χαμηλό. Το ακριβώς αντίθετο θα συμβεί εάν αυξηθεί η αντίσταση της αίσθησης, το κέρδος θα είναι υψηλό και η σταθερά χρόνου θα είναι επίσης υψηλότερη από την τιμή της μικρής αντίστασης. Αυτό το άνισο κέρδος θα οδηγήσει σε ανεπαρκή αναλογία σήματος προς θόρυβοκαι η ευελιξία της τάσης εξόδου είναι περιορισμένη. Επομένως, για να διορθώσετε τα κακά ζητήματα που σχετίζονται με το κέρδος και το θόρυβο, προτιμάται συχνά ένας ενισχυτής Transimpedance. Προσθέτοντας αυτό σε έναν ενισχυτή Transimpedance, ο σχεδιαστής μπορεί επίσης να διαμορφώσει το εύρος ζώνης και την απόκριση κέρδους του κυκλώματος σύμφωνα με τις απαιτήσεις σχεδίασης.

Εργασία ενισχυτή Transimpedance

Το κύκλωμα ενισχυτή Transimpedance είναι ένας απλός ενισχυτής αντιστροφής με αρνητική ανάδραση. Μαζί με τον ενισχυτή, μία αντίσταση ανάδρασης (R1) συνδέεται με το αντίστροφο άκρο του ενισχυτή όπως φαίνεται παρακάτω.

Όπως γνωρίζουμε ότι το ρεύμα εισόδου ενός Op-Amp θα είναι μηδέν λόγω της υψηλής αντίστασης εισόδου του, επομένως το ρεύμα από την τρέχουσα πηγή μας πρέπει να περάσει εντελώς μέσω της αντίστασης R1. Ας θεωρήσουμε αυτό το ρεύμα ως Is. Σε αυτό το σημείο, η τάση εξόδου (Vout) του Op-Amp μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο -

Vout = -Είναι x R1

Αυτή η φόρμουλα θα ισχύει σε ένα ιδανικό κύκλωμα. Αλλά σε ένα πραγματικό κύκλωμα, το op-amp θα αποτελείται από κάποια τιμή χωρητικότητας εισόδου και χωρητικότητας αδέσποτου στις ακίδες εισόδου που θα μπορούσαν να προκαλέσουν μετατόπιση της εξόδου και ταλάντωση κουδουνίσματος, καθιστώντας ολόκληρο το κύκλωμα ασταθές. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, αντί για ένα απλό παθητικό στοιχείο, απαιτούνται δύο παθητικά εξαρτήματα για τη σωστή λειτουργία του κυκλώματος Transimpedance. Αυτά τα δύο παθητικά εξαρτήματα είναι η προηγούμενη αντίσταση (R1) και ένας πρόσθετος πυκνωτής (C1). Τόσο η αντίσταση όσο και ο πυκνωτής συνδέονται παράλληλα μεταξύ της αρνητικής εισόδου των ενισχυτών και της εξόδου όπως φαίνεται παρακάτω.

Ο λειτουργικός ενισχυτής εδώ συνδέεται και πάλι σε κατάσταση αρνητικής ανάδρασης μέσω της αντίστασης R1 και του πυκνωτή C1 ως ανάδρασης. Το ρεύμα (Is) που εφαρμόζεται στον αντιστρεφόμενο πείρο του ενισχυτή Transimpedance θα μετατραπεί σε ισοδύναμη τάση στην πλευρά εξόδου ως Vout. Η τιμή του ρεύματος εισόδου και η τιμή της αντίστασης (R1) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της τάσης εξόδου του ενισχυτή Transimpedance.

Η τάση εξόδου δεν εξαρτάται μόνο από την αντίσταση ανάδρασης, αλλά έχει επίσης σχέση με την τιμή του πυκνωτή ανάδρασης C1. Το εύρος ζώνης του κυκλώματος εξαρτάται από την τιμή πυκνωτή ανάδρασης C1, επομένως αυτή η τιμή του πυκνωτή μπορεί να αλλάξει το εύρος ζώνης του συνολικού κυκλώματος. Για τη σταθερή λειτουργία του κυκλώματος σε ολόκληρο το εύρος ζώνης, εμφανίζονται οι παρακάτω τύποι για τον υπολογισμό της τιμής του πυκνωτή για το απαιτούμενο εύρος ζώνης.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _σελ

Όπου, το R1 είναι η αντίσταση ανάδρασης και το f _p είναι η απαιτούμενη συχνότητα εύρους ζώνης.

Σε πραγματική κατάσταση, η παρασιτική χωρητικότητα και η χωρητικότητα εισόδου του ενισχυτή διαδραματίζει ζωτικό ρόλο στη σταθερότητα του ενισχυτή Transimpedance. Η απόκριση αύξησης θορύβου του κυκλώματος δημιουργεί επίσης αστάθεια λόγω του περιθωρίου αλλαγής φάσης κυκλώματος και προκαλεί συμπεριφορά απόκρισης βήματος υπέρβασης

Σχεδιασμός ενισχυτή Transimpedance

Για να καταλάβετε πώς να χρησιμοποιήσετε το TIA σε πρακτικά σχέδια, ας σχεδιάσουμε ένα χρησιμοποιώντας μία αντίσταση και πυκνωτή και προσομοιώστε το για να κατανοήσει τη λειτουργία του. Το πλήρες κύκλωμα για μετατροπέα ρεύματος σε τάση χρησιμοποιώντας Op-amp φαίνεται παρακάτω

Το παραπάνω κύκλωμα χρησιμοποιεί γενικό ενισχυτή χαμηλής ισχύος LM358. Η αντίσταση R1 λειτουργεί ως αντίσταση ανάδρασης και ο πυκνωτής εξυπηρετεί το σκοπό ενός πυκνωτή ανάδρασης. Ο ενισχυτής LM358 είναι συνδεδεμένος σε μια διαμόρφωση αρνητικής ανάδρασης. Ο αρνητικός πείρος εισόδου συνδέεται με μια πηγή σταθερού ρεύματος και ο θετικός πείρος συνδέεται με τη γείωση ή σε δυναμικό 0 Δεδομένου ότι είναι μια προσομοίωση και το συνολικό κύκλωμα λειτουργεί στενά ως ένα ιδανικό κύκλωμα, η τιμή του πυκνωτή δεν θα επηρεάσει πολύ, αλλά είναι απαραίτητο εάν το κύκλωμα κατασκευάζεται φυσικά. Το 10pF είναι μια λογική τιμή αλλά η τιμή του πυκνωτή μπορεί να αλλάξει ανάλογα με το εύρος ζώνης συχνοτήτων του κυκλώματος που μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας C1 C 1 / 2π x R1 xf _p όπως συζητήθηκε προηγουμένως.

Για την τέλεια λειτουργία, το op-amp παίρνει επίσης ισχύ από μια διπλή τροφοδοσία που είναι +/- 12V. Η τιμή αντίστασης ανάδρασης επιλέγεται ως 1k.

Προσομοίωση ενισχυτή Transimpedance

Το παραπάνω κύκλωμα μπορεί να προσομοιωθεί για να ελέγξει εάν ο σχεδιασμός λειτουργεί όπως αναμένεται. Ένα βολτόμετρο DC συνδέεται στην έξοδο op-amp για να μετρήσει την τάση εξόδου του ενισχυτή Transimpedance. Εάν το κύκλωμα λειτουργεί σωστά, τότε η τιμή της τάσης εξόδου που εμφανίζεται στο βολτόμετρο πρέπει να είναι ανάλογη με το ρεύμα που εφαρμόζεται στον αντιστρεπτό πείρο του Op-Amp.

Το πλήρες βίντεο προσομοίωσης βρίσκεται παρακάτω

Στην περίπτωση δοκιμής 1, το ρεύμα εισόδου στο op-amp δίνεται ως 1mA. Δεδομένου ότι η αντίσταση εισόδου του op-amp είναι πολύ υψηλή, η τρέχουσα έναρξη ροής μέσω της αντίστασης ανάδρασης και η τάση εξόδου εξαρτάται από την τιμή της αντίστασης ανατροφοδότησης όταν το ρεύμα ρέει, διέπεται από τον τύπο Vout = -I x x R1 ως συζητήσαμε νωρίτερα.

Στο κύκλωμα μας η τιμή του Resistor R1 είναι 1k. Επομένως, όταν το ρεύμα εισόδου είναι 1mA, ο Vout θα είναι, Vout = -Είναι x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt

Εάν ελέγξουμε το αποτέλεσμα προσομοίωσης ρεύματος σε τάση, ταιριάζει ακριβώς. Η έξοδος έγινε θετική από την επίδραση του ενισχυτή Transimpedance.

Στη δοκιμαστική περίπτωση 2, το ρεύμα εισόδου στο op-amp δίνεται ως.05mA ή 500 microamperes. Επομένως, η τιμή της τάσης εξόδου μπορεί να υπολογιστεί ως.

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

Εάν ελέγξουμε το αποτέλεσμα προσομοίωσης, αυτό ταιριάζει επίσης ακριβώς.

Και πάλι αυτό είναι ένα αποτέλεσμα προσομοίωσης. Κατά την κατασκευή του κυκλώματος, η απλή αδέσποτη χωρητικότητα θα μπορούσε να παράγει σταθερό χρόνο σε αυτό το κύκλωμα. Ο σχεδιαστής θα πρέπει να είναι προσεκτικός για τα παρακάτω σημεία κατά την κατασκευή του.

Αποφύγετε τις πλακέτες ψωμιού ή τις χάλκινες πλακέτες ή οποιαδήποτε άλλη πλακέτα ταινιών για σύνδεση. Δημιουργήστε το κύκλωμα μόνο σε PCB.
Το Op-Amp πρέπει να κολληθεί απευθείας στο PCB χωρίς θήκη IC.
Χρησιμοποιήστε σύντομα ίχνη για διαδρομές ανατροφοδότησης και την πηγή ρεύματος εισόδου (Φωτοδίοδος ή παρόμοια πράγματα που πρέπει να μετρηθούν από έναν ενισχυτή Transimpedance).
Τοποθετήστε την αντίσταση ανάδρασης και τον πυκνωτή όσο το δυνατόν πιο κοντά στον ενισχυτή λειτουργίας.
Είναι καλό να χρησιμοποιείτε βραχείες αντιστάσεις.
Προσθέστε κατάλληλους πυκνωτές φίλτρου με μεγάλες και μικρές τιμές στη ράγα τροφοδοσίας.
Επιλέξτε τον κατάλληλο op-amp ειδικά σχεδιασμένο για αυτόν τον σκοπό του ενισχυτή για απλότητα του σχεδιασμού.

Εφαρμογές ενισχυτή Transimpedance

Ένας ενισχυτής Transimpedance είναι το πιο ουσιαστικό εργαλείο μέτρησης σήματος ρεύματος για λειτουργία που σχετίζεται με την ανίχνευση φωτός. Χρησιμοποιείται ευρέως στη χημική μηχανική, τους μορφοτροπείς πίεσης, τους διαφορετικούς τύπους επιταχυνσιόμετρων, τα προηγμένα συστήματα υποστήριξης οδηγού και την τεχνολογία LiDAR που χρησιμοποιείται σε αυτόνομα οχήματα.

Το πιο κρίσιμο μέρος του κυκλώματος Transimpedance είναι η σταθερότητα του σχεδιασμού. Αυτό συμβαίνει λόγω των παρασιτικών και του θορύβου ζητημάτων. Ο σχεδιαστής πρέπει να είναι προσεκτικός σχετικά με την επιλογή του σωστού ενισχυτή και πρέπει να είναι προσεκτικός στη χρήση των κατάλληλων οδηγιών PCB.