Transimpedanční zesilovač

Jednoduše řečeno vysvětlíme, že transimpedanční zesilovač je obvod převodníku, který převádí vstupní proud na proporcionální výstupní napětí. Jak víme, když proud protéká rezistorem, vytváří pokles napětí na rezistoru, který bude úměrný hodnotě proudu a samotnému hodnotovému rezistoru. Zde, za předpokladu, že hodnota rezistoru bude v ideálním případě konstantní, můžeme snadno použít Ohmův zákon k výpočtu hodnoty proudu na základě hodnoty napětí. Toto je nejzákladnější převodník proudu na napětí a protože jsme k jeho dosažení použili rezistor (pasivní prvek), nazývá se to pasivní převodník proudu na napětí.

Na druhou stranu je transimpedanční zesilovač převodníkem aktivního proudu na napětí, protože k přeměně vstupního proudu na proporcionální výstupní napětí používá aktivní složku, jako je Op-Amp. Je také možné sestavit aktivní převaděče I na V s použitím dalších aktivních komponent, jako jsou BJT, IGBT, MOSFET atd. Nejběžněji používaným převodníkem proudu na napětí je Transimpedance Amplifier (TIA), takže v tomto článku se o něm dozvíme více a jak ji použít ve vašich obvodech.

Důležitost transimpedančního zesilovače

Nyní, když víme, že k převodu proudu na napětí lze použít i rezistor, proč musíme stavět aktivní převaděče proudu na napětí pomocí Op-Amp? Jakou výhodu a důležitost má oproti pasivním převodníkům V na I?

Abychom odpověděli, předpokládejme, že fotocitlivá dioda (zdroj proudu) dodává proud přes svůj terminál v závislosti na dopadajícím světle a přes fotodiodu je připojen jednoduchý odpor nízké hodnoty, který převádí výstupní proud na proporcionální napětí, jak je znázorněno na obrázek níže.

Výše uvedený obvod může teoreticky fungovat dobře, ale v praxi bude výkon dekontikován, protože fotodioda bude také sestávat z některých nežádoucích kapacitních vlastností nazývaných zbloudilá kapacita. Z tohoto důvodu bude pro menší hodnotu snímacího rezistoru časová konstanta (t) (t = snímací odpor x zbloudilá kapacita) malá, a proto bude zisk nízký. Přesný opak nastane, pokud se zvýší odpor snímání, zisk bude vysoký a časová konstanta bude také vyšší než hodnota malého odporu. Tento nerovnoměrný zisk povede k nedostatečnému poměru signálu k šumua flexibilita výstupního napětí je omezena. Proto, aby se vyřešil problém se špatným ziskem a šumem, je často upřednostňován transimpedanční zesilovač. Přidáním k tomu v transimpedančním zesilovači může návrhář také nakonfigurovat šířku pásma a zesilovací odezvu obvodu podle požadavků na design.

Práce s transimpedančním zesilovačem

Obvod transimpedančního zesilovače je jednoduchý invertující zesilovač se zápornou zpětnou vazbou. Spolu se zesilovačem je k zpětnému konci zesilovače připojen jeden zpětnovazební rezistor (R1), jak je znázorněno níže.

Jak víme, vstupní proud Op-Amp bude nulový kvůli jeho vysoké vstupní impedanci, proto musí proud z našeho zdroje proudu zcela projít odporem R1. Uvažujme tento proud jako Is. V tomto okamžiku lze výstupní napětí (Vout) Op-Amp vypočítat pomocí následujícího vzorce -

Vout = -Je x R1

Tento vzorec bude platit v ideálním obvodu. Ale ve skutečném obvodu bude operační zesilovač sestávat z určité hodnoty vstupní kapacity a zbloudilé kapacity přes jeho vstupní piny, což by mohlo způsobit odchylku výstupu a vyzváněcí oscilaci, což by způsobilo, že celý obvod bude nestabilní. K překonání tohoto problému jsou pro správnou funkci transimpedančního obvodu namísto jediné pasivní komponenty zapotřebí dvě pasivní součásti. Těmito dvěma pasivními součástmi jsou předchozí rezistor (R1) a další kondenzátor (C1). Rezistor i kondenzátor jsou zapojeny paralelně mezi záporným vstupem zesilovače a výstupem, jak je znázorněno níže.

Operační zesilovač je zde opět připojen ve stavu negativní zpětné vazby přes odpor R1 a kondenzátor C1 jako zpětná vazba. Proud (Is) aplikovaný na invertující kolík transimpedančního zesilovače bude převeden na ekvivalentní napětí na výstupní straně jako Vout. Hodnotu vstupního proudu a hodnotu rezistoru (R1) lze použít k určení výstupního napětí transimpedančního zesilovače.

Výstupní napětí nezávisí pouze na zpětnovazebním rezistoru, ale má také vztah k hodnotě zpětnovazebního kondenzátoru C1. Šířka pásma obvodu je závislá na hodnotě zpětnovazebního kondenzátoru C1, proto tato hodnota kondenzátoru může změnit šířku pásma celkového obvodu. Pro stabilní provoz obvodu v celé šířce pásma jsou níže uvedeny vzorce pro výpočet hodnoty kondenzátoru pro požadovanou šířku pásma.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _str

Kde R1 je zpětnovazební rezistor a f _p je požadovaná šířka pásma.

Ve skutečné situaci hraje parazitní kapacita a vstupní kapacita zesilovače zásadní roli ve stabilitě transimpedančního zesilovače. Odezva na zisk šumu obvodu také vytváří nestabilitu v důsledku rozpětí fázového posunu obvodu a způsobuje chování reakce na krok překročení.

Design zesilovače transimpedance

Abychom pochopili, jak používat TIA v praktických návrzích, pojďme navrhnout jeden pomocí jediného rezistoru a kondenzátoru a simulovat jej, abychom porozuměli jeho fungování. Níže je uveden kompletní obvod převodníku proudu na napětí využívající operační zesilovač

Výše uvedený obvod používá generický nízkoenergetický zesilovač LM358. Rezistor R1 funguje jako zpětnovazební rezistor a kondenzátor slouží účelu zpětnovazebního kondenzátoru. Zesilovač LM358 je připojen v konfiguraci se zápornou zpětnou vazbou. Záporný vstupní kolík je připojen ke zdroji konstantního proudu a kladný kolík je připojen k zemi nebo v potenciálu 0. Jelikož se jedná o simulaci a celkový obvod úzce funguje jako ideální obvod, hodnota kondenzátoru by to moc neovlivnila, ale je nezbytné, pokud je obvod konstruován fyzicky. 10pF je rozumná hodnota, ale hodnotu kondenzátoru lze změnit v závislosti na šířce frekvenčního pásma obvodů, kterou lze vypočítat pomocí C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p, jak bylo diskutováno výše.

Pro dokonalý provoz získává operační zesilovač také napájení z dvojitého napájecího zdroje, který je +/- 12V. Hodnota zpětnovazebního rezistoru je vybrána jako 1k.

Simulace transimpedančního zesilovače

Výše uvedený obvod lze simulovat a zkontrolovat, zda návrh funguje podle očekávání. Na výstup op-zesilovače je připojen DC voltmetr pro měření výstupního napětí našeho zesilovače Transimpedance. Pokud obvod funguje správně, měla by být hodnota výstupního napětí zobrazená na voltmetru úměrná proudu aplikovanému na invertující kolík Op-Amp.

Kompletní simulační video naleznete níže

V testovacím případě 1 je vstupní proud přes operační zesilovač udáván jako 1 mA. Vzhledem k tomu, že vstupní impedance operačního zesilovače je velmi vysoká, proud začne protékat zpětnovazebním rezistorem a výstupní napětí je závislé na hodnotě zpětnovazebního rezistoru krát proudící proud, který se řídí vzorcem Vout = -Is x R1 as diskutovali jsme dříve.

V našem obvodu je hodnota odporu R1 1k. Proto, když je vstupní proud 1 mA, bude Vout, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt

Pokud zkontrolujeme náš výsledek simulace proudu na napětí, přesně odpovídá. Výstup se stal pozitivním účinkem transimpedančního zesilovače.

V testovacím případě 2 je vstupní proud přes operační zesilovač udáván jako 0,05 mA nebo 500 mikroampérů. Proto lze hodnotu výstupního napětí vypočítat jako.

Vout = -Is x R1 Vout = -0 0005 Amp x 1000 Ohms Vout = 0,5 Volt

Pokud zkontrolujeme výsledek simulace, přesně to odpovídá také.

Opět se jedná o výsledek simulace. Při budování obvodu by prakticky jednoduchá zbloudilá kapacita mohla v tomto obvodu vyvolat efekt časové konstanty. Návrhář by měl při fyzické konstrukci dávat pozor na níže uvedené body.

Pro připojení nepoužívejte prkénko na prkénko, měděné plátované desky ani jiné pásky. Sestavte obvod pouze na desce plošných spojů.
Op-Amp je třeba připájet přímo na desku plošných spojů bez držáku IC.
Použijte krátké stopy pro zpětnovazební cesty a zdroj vstupního proudu (fotodioda nebo podobné věci, které je třeba měřit transimpedančním zesilovačem).
Umístěte zpětnovazební rezistor a kondenzátor co nejblíže operačnímu zesilovači.
Je dobré používat rezistory s krátkým vývodem.
Přidejte správné filtrační kondenzátory s velkými i malými hodnotami na napájecí liště.
Vyberte si vhodný operační zesilovač speciálně navržený pro tento účel zesilovače pro jednoduchost designu.

Aplikace transimpedančního zesilovače

Transimpedanční zesilovač je nejdůležitějším nástrojem pro měření proudového signálu pro činnost související se snímáním světla. Je široce používán v chemickém inženýrství, měničích tlaku, různých typech akcelerometrů, pokročilých asistenčních systémech řidiče a technologii LiDAR, která se používá v autonomních vozidlech.

Nejkritičtější částí transimpedančního obvodu je stabilita návrhu. Je to z důvodu parazitických problémů a problémů souvisejících s hlukem. Návrhář musí být při výběru správného zesilovače opatrný a měl by být opatrný při používání správných pokynů pro desky plošných spojů.