Pojačalo za transimpedanciju

Da bismo jednostavnim riječima objasnili pojačalo Transimpedance je sklop pretvarača koji pretvara ulaznu struju u proporcionalni izlazni napon. Kao što znamo kad struja prolazi kroz otpornik, on stvara pad napona na otporu koji će biti proporcionalan vrijednosti struje i samom otporu vrijednosti. Ovdje, pretpostavljajući da je vrijednost otpornika idealno konstantna, lako možemo koristiti Ohmov zakon za izračunavanje vrijednosti struje na temelju vrijednosti napona. Ovo je najosnovniji pretvarač struje u napon, a budući da smo za to koristili otpor (pasivni element), naziva se pretvarač pasivne struje u napon.

S druge strane, pojačalo za Transimpedanciju pretvarač je aktivne struje u napon jer koristi aktivnu komponentu poput Op-Amp za pretvorbu ulazne struje u proporcionalni izlazni napon. Također je moguće izgraditi aktivne I u V pretvarače koristeći druge aktivne komponente poput BJT-a, IGBT-a, MOSFET-a itd. Najčešće korišten pretvarač struje u napon je pojačalo transimpedancije (TIA), pa ćemo u ovom članku saznati više o tome i kako ga koristiti u dizajnu krugova.

Važnost pojačala za transimpedanciju

Sad kad znamo da se čak i otpornik može koristiti za pretvaranje struje u napon, zašto moramo graditi pretvarače aktivne struje u napon pomoću Op-Amp-a? Kakvu prednost i važnost ima u odnosu na pasivne pretvarače V u I?

Da bi se odgovorilo na to pretpostavljamo da fotoosjetljiva dioda (izvor struje) daje struju preko svog terminala, ovisno o svjetlu koje pada na nju, a preko fotodiode je povezan jednostavan otpor male vrijednosti za pretvorbu izlazne struje u proporcionalni napon kao što je prikazano u slika ispod.

Gornji sklop mogao bi dobro funkcionirati u teoriji, ali u praksi će performanse biti poremećene jer će se foto-dioda također sastojati od nekih neželjenih kapacitivnih svojstava zvanih zalutali kapacitivnost. Zbog toga će za manju vrijednost osjetnog otpora vremenska konstanta (t) (t = osjetni otpor x zalutali kapacitet) biti mala i stoga će dobitak biti nizak. Upravo će se suprotno dogoditi ako se poveća osjetni otpor, pojačanje će biti veliko, a vremenska konstanta također veća od male vrijednosti otpora. Ovo neujednačeno pojačanje će dovesti do nedovoljnog omjera signal / šuma fleksibilnost izlaznog napona je ograničena. Stoga je za popravak problema s lošim pojačanjem i bukom često poželjno pojačalo Transimpedance. Dodajući tome pojačalo za Transimpedanciju, dizajner također može konfigurirati širinu pojasa i odziv pojačanja kruga prema projektnim zahtjevima.

Rad pojačala za pojačanje pojačanja

Sklop pojačala Transimpedance jednostavno je invertirajuće pojačalo s negativnom povratnom spregom. Zajedno s pojačalom, na povratni kraj pojačala povezan je jedan povratni otpor (R1) kao što je prikazano dolje.

Kao što znamo ulazna struja Op-pojačala bit će nula zbog velike ulazne impedancije, stoga struja iz našeg trenutnog izvora mora u potpunosti proći kroz otpor R1. Razmotrimo ovu struju kao Jest. U ovom trenutku, izlazni napon (Vout) Op-pojačala može se izračunati pomoću donje formule -

Vout = -Je li x R1

Ova će formula vrijediti u idealnom krugu. Ali u stvarnom krugu, opcijsko pojačalo sastojat će se od neke vrijednosti ulaznog kapaciteta i zalutalog kapaciteta preko njegovih ulaznih pinova što bi moglo uzrokovati zanošenje izlaza i zvonjenje, čineći cijeli krug nestabilnim. Da bi se prevladao ovaj problem, umjesto jedne pasivne komponente, potrebne su dvije pasivne komponente za ispravan rad kruga transimpedance. Te dvije pasivne komponente su prethodni otpor (R1) i dodatni kondenzator (C1). I otpornik i kondenzator povezani su paralelno između negativnog ulaza i izlaza pojačala, kao što je prikazano dolje.

Ovdje je operacijsko pojačalo ponovno povezano u negativnom povratnom stanju kroz otpor R1 i kondenzator C1 kao povratnu spregu. Struja (Is) primijenjena na invertirajuću iglu pojačala Transimpedance pretvorit će se u ekvivalentni napon na izlaznoj strani kao Vout. Vrijednost ulazne struje i vrijednost otpora (R1) mogu se koristiti za određivanje izlaznog napona pojačala Transimpedance.

Izlazni napon ne ovisi samo o povratnom otporu, već ima i vezu s vrijednošću povratnog kondenzatora C1. Propusnost kruga ovisi o vrijednosti povratnog kondenzatora C1, stoga ta vrijednost kondenzatora može promijeniti širinu pojasa cjelokupnog kruga. Za stabilan rad kruga u cijeloj širini pojasa, dolje su prikazane formule za izračunavanje vrijednosti kondenzatora za potrebnu širinu pojasa.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _str

Gdje je R1 povratni otpor, a f _p potrebna frekvencija pojasa.

U stvarnoj situaciji, parazitski kapacitet i ulazni kapacitet pojačala igraju vitalnu ulogu u stabilnosti pojačala Transimpedance. Odziv pojačanja šuma u krugu također stvara nestabilnost zbog margine pomaka faze u krugu i uzrokuje ponašanje odzivanja koraka prekoračenja.

Dizajn pojačala za transimpedance

Da bismo razumjeli kako koristiti TIA u praktičnim dizajnom, dizajnirajmo jedan otpornik i kondenzator i simulirajmo ga kako bismo razumjeli njegov rad. Kompletni krug za pretvarač struje u napon koji koristi Op-pojačalo prikazan je u nastavku

Gornji sklop koristi generičko pojačalo male snage LM358. Otpor R1 djeluje kao povratni otpor, a kondenzator služi u svrhu povratnog kondenzatora. Pojačalo LM358 povezano je u konfiguraciji negativne povratne sprege. Negativni ulazni pin priključen je na izvor konstantne struje, a pozitivni pin spojen je na masu ili u potencijalu 0. Budući da je riječ o simulaciji i cjelokupni sklop usko surađuje kao idealan krug, vrijednost kondenzatora ne bi puno utjecala, ali bitno je ako je sklop fizički konstruiran. 10pF je razumna vrijednost, ali vrijednost kondenzatora se može mijenjati ovisno o frekvencijskoj širini pojasa sklopa koja se može izračunati pomoću C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p, kao što je prethodno spomenuto.

Za savršen rad, opcijsko pojačalo također napaja dvostruko napajanje željeznicom koje je +/- 12V. Vrijednost povratnog otpora odabrana je kao 1k.

Simulacija pojačala za transimpedanciju

Gornji sklop može se simulirati kako bi se provjerilo radi li dizajn kako se očekivalo. Preko izlaza op-pojačala spojen je istosmjerni voltmetar za mjerenje izlaznog napona našeg pojačala Transimpedance. Ako strujni krug radi ispravno, tada bi vrijednost izlaznog napona prikazana na voltmetru trebala biti proporcionalna struji primijenjenoj na invertirajuću iglu Op-pojačala.

Kompletni video simulacije možete pronaći u nastavku

U testnom slučaju 1, ulazna struja preko opcijskog pojačala daje se kao 1mA. Kako je ulazna impedancija op-pojačala vrlo visoka, struja počinje prolaziti kroz povratni otpor, a izlazni napon ovisi o vrijednosti povratnog otpora puta trenutnoj struji, reguliranom formulom Vout = -Is x R1 kao raspravljali smo ranije.

U našem krugu vrijednost otpornika R1 je 1k. Stoga, kada je ulazna struja 1mA, Vout će biti, Vout = -Je x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohma Vout = 1 Volt

Ako provjerimo naš rezultat simulacije struje i napona, on se točno podudara. Izlaz je postao pozitivan učinkom pojačala Transimpedance.

U testnom slučaju 2, ulazna struja preko optičkog pojačala daje se kao.05mA ili 500 mikroampera. Stoga se vrijednost izlaznog napona može izračunati kao.

Vout = -Je x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ohma Vout =.5 Volt

Ako provjerimo rezultat simulacije, i ovaj se točno podudara.

Ovo je još jednom rezultat simulacije. Dok bi izgradnja kruga praktički jednostavna zalutala kapacitivnost mogla proizvesti vremenski konstantan učinak u ovom krugu. Dizajner treba biti oprezan pri donjim točkama prilikom fizičke izrade.

1. Izbjegavajte ploče za spajanje ili bakreno obložene ploče ili bilo koje druge trakaste ploče za povezivanje. Izgradite sklop samo na PCB-u.
2. Op-pojačalo treba izravno zalemiti na PCB bez držača IC.
3. Koristite kratke tragove za putove povratnih informacija i izvor ulazne struje (fotodioda ili slične stvari koje su potrebne za mjerenje pojačalom Transimpedance).
4. Postavite povratni otpor i kondenzator što bliže operativnom pojačalu.
5. Dobro je koristiti kratko olovne otpornike.
6. Dodajte odgovarajuće filtrirne kondenzatore i s velikim i s malim vrijednostima na tračnicu napajanja.
7. Odaberite odgovarajuće opcijsko pojačalo posebno dizajnirano za ovu svrhu pojačala radi jednostavnosti dizajna.

Primjene pojačala za transimpedanciju

Pojačalo Transimpedancije najvažniji je alat za mjerenje trenutnog signala za rad povezan s osjetnikom svjetlosti. Široko se koristi u kemijskom inženjerstvu, pretvaračima tlaka, različitim vrstama akcelerometara, naprednim sustavima za pomoć vozaču i tehnologijom LiDAR koja se koristi u autonomnim vozilima.

Najkritičniji dio sklopa Transimpedance je stabilnost dizajna. To je zbog parazitskih i buke. Dizajner mora biti oprezan pri odabiru pravog pojačala i mora biti oprezan pri korištenju odgovarajućih smjernica za PCB.