Transimpedance amplifier

Upang ipaliwanag sa simpleng mga salita ang isang Transimpedance amplifier ay isang converter circuit na kinokonekta ang kasalukuyang pag-input sa isang proporsyonal na boltahe ng output. Tulad ng alam natin kapag ang kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng isang risistor lumilikha ito ng isang drop ng boltahe sa kabuuan ng risistor na magiging proporsyonal sa halaga ng kasalukuyang at ang resistor ng halaga mismo. Dito, ipinapalagay na ang halaga ng risistor upang maging perpektong pare-pareho madali nating magagamit ang Batas ng Ohms upang makalkula ang halaga ng kasalukuyang batay sa halaga ng Boltahe. Ito ang pinaka pangunahing Kasalukuyang Boltahe Converter, at dahil gumamit kami ng isang risistor (Passive element) upang magawa ito ito ay tinawag bilang isang Passive Current to Voltage Converter.

Sa kabilang banda ang isang Transimpedance amplifier ay isang aktibong kasalukuyang sa boltahe converter dahil gumagamit ito ng isang aktibong sangkap tulad ng Op-Amp upang i-convert ang kasalukuyang input sa isang proporsyonal na boltahe ng output. Posible rin na bumuo ng mga aktibong I sa V converter na gumagamit ng iba pang mga aktibong bahagi tulad ng BJTs, IGBTs, MOSFET atbp Ang pinaka-karaniwang ginagamit na converter ng Kasalukuyang Boltahe ay ang Transimpedance Amplifier (TIA), kaya sa artikulong ito malalaman natin ang tungkol dito at kung paano ito gamitin sa iyong mga disenyo ng circuit.

Kahalagahan ng Transimpedance Amplifier

Ngayon alam na natin kahit na ang isang risistor ay maaaring magamit upang mai-convert ang kasalukuyang sa boltahe, bakit kailangan nating bumuo ng isang aktibong kasalukuyang sa mga converter ng boltahe gamit ang Op-Amp? Anong kalamangan at kahalagahan ang mayroon ito sa paglipas ng Passive V sa mga converter ko?

Upang sagutin na hinahayaan na ang isang photosensitive diode (kasalukuyang mapagkukunan) ay nagbibigay ng kasalukuyang sa buong terminal nito depende sa ilaw na bumabagsak dito at isang simpleng resistor na may mababang halaga ay konektado sa buong photodiode upang i-convert ang kasalukuyang output sa isang proporsyonal na boltahe tulad ng ipinakita sa imahe sa ibaba.

Ang circuit sa itaas ay maaaring gumana nang maayos sa pamamagitan ng teorya ngunit sa pagsasagawa ang pagganap ay maaaring mapang-decorticated dahil ang photo-diode ay binubuo rin ng ilang mga hindi nais na capacitive na katangian na tinatawag na stray capacitance. Dahil dito para sa isang mas maliit na halaga ng resistor ng pang-unawa, ang oras na pare-pareho (t) (t = sense resistence x Stray Capacitance) ay magiging maliit at samakatuwid ay mababa ang makukuha. Ang eksaktong kabaligtaran ay magaganap kung ang pakiramdam ng paglaban ay nadagdagan, ang kita ay magiging mataas at ang oras na pare-pareho ay magiging mas mataas din kaysa sa maliit na halaga ng resistor. Ang hindi pantay na pakinabang na ito ay hahantong sa isang hindi sapat na signal sa ratio ng ingayat ang kakayahang umangkop ng output boltahe ay limitado. Samakatuwid, upang ayusin ang mahinang mga isyu na nauugnay sa pakinabang at ingay, ang isang Transimpedance amplifier ay madalas na ginusto. Ang pagdaragdag dito sa isang Transimpedance amplifier, maaari ring i-configure ng taga-disenyo ang bandwidth at ang makakuha ng tugon ng circuit ayon sa mga kinakailangan sa disenyo.

Paggawa ng Transimpedance Amplifier

Ang Transimpedance amplifier circuit ay isang simpleng Inverting amplifier na may negatibong feedback. Kasama ang amplifier, isang solong feedback resistor (R1) ay konektado sa pabaliktad na dulo ng Amplifier tulad ng ipinakita sa ibaba.

Tulad ng alam natin na ang kasalukuyang pag-input ng isang Op-Amp ay magiging zero dahil sa mataas na impedance ng pag-input, samakatuwid ang kasalukuyang mula sa aming kasalukuyang mapagkukunan ay dapat na ganap na dumaan sa risistor R1. Isaalang-alang natin ang kasalukuyang ito bilang Is. Sa puntong ito, ang output voltage (Vout) ng Op-Amp ay maaaring makalkula gamit ang formula sa ibaba -

Vout = -Is x R1

Ang formula na ito ay mananatili totoo sa isang perpektong circuit. Ngunit sa isang tunay na circuit, ang op-amp ay binubuo ng ilang halaga ng input capacitance at stray capacitance sa mga input pin na maaaring maging sanhi ng output drift at ringing oscillation, na ginagawang hindi matatag ang buong circuit. Upang mapagtagumpayan ang problemang ito, sa halip na isang solong bahagi ng passive, kinakailangan ang dalawang bahagi ng passive para sa wastong pagtatrabaho ng Transimpedance circuit. Ang dalawang mga bahagi na dumadaan ay ang nakaraang risistor (R1) at isang karagdagang kapasitor (C1). Parehong ang risistor at ang capacitor ay konektado sa kahanay sa pagitan ng mga amplifiers negatibong input at ang output tulad ng ipinakita sa ibaba.

Ang pagpapatakbo ng amplifier dito ay muling konektado sa negatibong kondisyon ng feedback sa pamamagitan ng risistor R1 at sa capacitor C1 bilang feedback. Ang kasalukuyang (Ay) inilapat sa Inverting pin ng Transimpedance amplifier ay i-convert sa katumbas na boltahe sa output side bilang Vout. Ang halaga ng kasalukuyang pag-input at ang halaga ng risistor (R1) ay maaaring magamit upang matukoy ang output boltahe ng Transimpedance amplifier.

Ang boltahe ng output ay hindi lamang nakasalalay sa resistor ng feedback, ngunit mayroon din itong kaugnayan sa halaga ng feedback capacitor C1. Ang circuit bandwidth ay maaasahan sa feedback capacitor na halaga C1, samakatuwid ang halaga ng capacitor na ito ay maaaring baguhin ang bandwidth ng pangkalahatang circuit. Para sa matatag na pagpapatakbo ng circuit sa buong bandwidth, ang mga formula upang makalkula ang halaga ng capacitor para sa kinakailangang bandwidth ay ipinapakita sa ibaba.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Kung saan, ang R1 ay ang resistor ng feedback at ang f _p ang kinakailangang dalas ng bandwidth.

Sa isang tunay na sitwasyon, ang capacitance ng parasitiko at ang input capacitance ng amplifier ay may mahalagang papel sa katatagan ng Transimpedance amplifier. Ang ingay makakuha ng tugon ng circuit ay lumilikha din ng kawalang-tatag dahil sa circuit phase shift margin at maging sanhi ng sobrang pag- uugali ng hakbang sa pag- uugali.

Disenyo ng Transpledance Amplifier

Upang maunawaan kung paano gamitin ang TIA sa mga praktikal na disenyo disenyo tayo ng isa gamit ang isang solong risistor at kapasitor at gayahin ito upang maunawaan ang paggana nito. Ang kumpletong circuit para sa kasalukuyang sa boltahe converter gamit ang Op-amp ay ipinakita sa ibaba

Ang circuit sa itaas ay gumagamit ng generic low power amplifier na LM358. Ang risistor R1 ay kumikilos bilang isang resistor ng feedback at ang capacitor ay naghahatid ng layunin ng isang feedback capacitor. Ang amplifier LM358 ay konektado sa isang negatibong pagsasaayos ng feedback. Ang negatibong input pin ay konektado sa isang pare-pareho na kasalukuyang mapagkukunan at ang positibong pin ay konektado sa lupa o sa 0 potensyal. Dahil ito ay isang simulation at ang pangkalahatang circuit ay gumagana nang malapit bilang isang perpektong circuit ang halaga ng capacitor ay hindi makakaapekto ng marami ngunit ito ay mahalaga kung ang circuit ay itinayo nang pisikal. Ang 10pF ay isang makatuwirang halaga ngunit ang halaga ng capacitor ay maaaring mabago depende sa dalas ng bandwidth ng circuitry na maaaring kalkulahin gamit ang C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p tulad ng tinalakay nang mas maaga.

Para sa perpektong operasyon, ang op-amp ay nakakakuha din ng lakas mula sa isang dalawahang power supply ng riles na +/- 12V. Ang halaga ng resistor ng puna ay napili bilang 1k.

Transimpedance amplifier Simulation

Ang circuit sa itaas ay maaaring kunwa upang suriin kung ang disenyo ay gumagana tulad ng inaasahan. Ang isang DC voltmeter ay konektado sa kabuuan ng op-amp output upang masukat ang output boltahe ng aming Transimpedance amplifier. Kung ang circuit ay gumagana nang maayos, pagkatapos ang halaga ng output boltahe na ipinakita sa voltmeter ay dapat na proporsyonal sa kasalukuyang inilalapat sa inverting pin ng Op-Amp.

Ang kumpletong video ng simulation ay matatagpuan sa ibaba

Sa pagsubok na kaso 1, ang kasalukuyang pag-input sa kabuuan ng op-amp ay ibinibigay bilang 1mA. Tulad ng input impedance ng op-amp ay napakataas, ang kasalukuyang pagsisimula upang dumaloy sa pamamagitan ng resistor ng feedback at ang boltahe ng output ay maaasahan sa mga halaga ng halaga ng resistor ng feedback na kasalukuyang dumadaloy, pinamamahalaan ng pormasyong Vout = -Is x R1 bilang napag-usapan namin kanina.

Sa aming circuit ang halaga ng Resistor R1 ay 1k. Samakatuwid, kapag ang kasalukuyang pag-input ay 1mA, ang Vout ay magiging, Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt

Kung susuriin namin ang aming kasalukuyang resulta sa simulation ng Voltage, eksaktong tumutugma ito. Ang output ay naging positibo sa pamamagitan ng epekto ng Transimpedance amplifier.

Sa test case 2, ang kasalukuyang input sa op-amp ay ibinibigay bilang.05mA o 500 microamperes. Samakatuwid ang halaga ng output boltahe ay maaaring makalkula bilang.

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

Kung susuriin namin ang resulta ng simulation, eksaktong tumutugma din ito.

Muli ito ay isang resulta ng simulation. Habang ang pagbuo ng circuit praktikal na simpleng stray capacitance ay maaaring makabuo ng pare-pareho ang epekto sa circuit na ito. Dapat mag-ingat ang taga-disenyo tungkol sa mga puntos sa ibaba kapag nagtatayo ng pisikal.

Iwasan ang mga breadboard o tanso na nakasuot ng board o anumang iba pang mga strip board para sa koneksyon. Buuin ang circuit sa PCB lamang.
Ang Op-Amp ay kailangang solder nang direkta sa PCB nang walang may-ari ng IC.
Gumamit ng mga maikling bakas para sa mga landas ng feedback at ang kasalukuyang mapagkukunan ng pag-input (Photodiode o mga katulad na bagay na kinakailangan upang masukat ng isang Transimpedance amplifier).
Ilagay ang resistor ng feedback at ang capacitor nang malapit hangga't maaari sa amplifier ng pagpapatakbo.
Mahusay na gumamit ng maiikling lead na resistors.
Magdagdag ng tamang mga capacitor ng filter na may parehong malaki at maliit na halaga sa power supply rail.
Pumili ng tamang op-amp na espesyal na idinisenyo para sa hangaring ito ng amplifier para sa pagiging simple ng disenyo.

Mga aplikasyon ng Transimpedance Amplifier

Ang isang Transimpedance amplifier ay ang pinakamahalagang kasalukuyang tool sa pagsukat ng signal para sa pagpapatakbo ng ilaw na nauugnay sa sensing. Malawakang ginagamit ito sa engineering ng kemikal, mga transduser ng presyon, iba`t ibang mga uri ng mga accelerometro, mga advanced na sistema ng tulong sa pagmamaneho at teknolohiya ng LiDAR na ginagamit sa mga autonomous na sasakyan.

Ang pinaka-kritikal na bahagi ng Transimpedance circuit ay ang katatagan ng disenyo. Dahil ito sa mga isyu na may kaugnayan sa parasitiko at ingay. Dapat mag-ingat ang taga-disenyo tungkol sa pagpili ng tamang amplifier at dapat maging maingat na gumamit ng wastong mga alituntunin ng PCB.