Појачало за трансимпеданцију

Да би се једноставним речима објаснио појачало Трансимпеданце је претварачко коло које претвара улазну струју у пропорционални излазни напон. Као што знамо када струја пролази кроз отпорник, он ствара пад напона на отпорнику који ће бити пропорционалан вредности струје и самом отпору вредности. Овде, претпостављајући да је вредност отпорника идеално константна, лако можемо користити Охмов закон за израчунавање вредности струје на основу вредности напона. Ово је најосновнији претварач струје у напон, а пошто смо за то постигли отпорник (пасивни елемент), назива се претварач пасивне струје у напон.

С друге стране, појачало Трансимпеданце је претварач активне струје у напон, јер користи активну компоненту попут Оп-Амп за претварање улазне струје у пропорционални излазни напон. Такође је могуће направити активне И у В претвараче користећи друге активне компоненте попут БЈТ-а, ИГБТ-а, МОСФЕТ-а итд. Најчешће коришћени претварач струје у напон је појачало трансимпеданце (ТИА), па ћемо у овом чланку сазнати више о томе и како га користити у дизајну кола.

Значај појачавача трансимпеданце

Сад кад знамо да се чак и отпорник може користити за претварање струје у напон, зашто морамо да градимо претвараче активне струје у напон помоћу Оп-Амп-а? Какву предност и значај има у односу на пасивне претвараче В у И?

Да би се одговорило на то претпостављамо да фотосензибилна диода (извор струје) даје струју преко свог терминала у зависности од светлости која пада на њу, а преко фотодиоде је повезан једноставан отпор мале вредности за претварање излазне струје у пропорционални напон као што је приказано у слика испод.

Горњи круг би можда добро функционисао у теорији, али у пракси ће перформансе бити умањене јер ће се фото-диода такође састојати од неких нежељених капацитивних својстава званих залутали капацитивност. Због тога ће за мању вредност отпора отпора временска константа (т) (т = отпор осећаја к залутали капацитет) бити мала, а самим тим и добитак ће бити низак. Управо супротно ће се догодити ако се повећа отпор чула, појачање ће бити велико, а временска константа такође већа од мале вредности отпора. Ова неуједначена добит ће довести до недовољног односа сигнала и шумаа флексибилност излазног напона је ограничена. Стога, да би се решили проблеми са лошим појачањем и шумом, често се даје предност појачалу Трансимпеданце. Додајући ово у појачало Трансимпеданце, дизајнер такође може да конфигурише пропусну ширину и појачани одзив кола у складу са захтевима дизајна.

Рад појачала за примопредају

Коло појачала Трансимпеданце је једноставно инвертујуће појачало са негативном повратном спрегом. Заједно са појачалом, на повратни крај појачала повезан је један повратни отпор (Р1) као што је приказано доле.

Као што знамо да ће улазна струја Оп-појачала бити нула због велике улазне импедансе, стога струја из нашег тренутног извора мора у потпуности проћи кроз отпор Р1. Размотримо ову струју као Јест. У овом тренутку, излазни напон (Воут) Оп-појачала може се израчунати користећи доњу формулу -

Воут = -Је к Р1

Ова формула ће се одржати у идеалном кругу. Али у стварном колу, оп-појачало ће се састојати од неке вредности улазног капацитета и залуталог капацитета преко његових улазних пинова што би могло проузроковати померање излаза и звоњење, чинећи читав круг нестабилним. Да би се превазишао овај проблем, уместо једне пасивне компоненте, потребне су две пасивне компоненте за правилан рад круга трансимпедансе. Те две пасивне компоненте су претходни отпорник (Р1) и додатни кондензатор (Ц1). И отпорник и кондензатор су паралелно повезани између негативног улаза и излаза појачала, као што је приказано доле.

Овде је оперативни појачавач поново повезан у негативном стању повратне спреге преко отпорника Р1 и кондензатора Ц1 као повратне спреге. Струја (Ис) примењена на инвертирајућу иглу појачала Трансимпедансе претвориће се у еквивалентни напон на излазној страни као Воут. Вредност улазне струје и вредност отпорника (Р1) могу се користити за одређивање излазног напона појачала Трансимпеданце.

Излазни напон не зависи само од повратног отпора, већ има и везу са вредностом повратног кондензатора Ц1. Пропусни опсег кола зависи од вредности кондензатора са повратном спрегом Ц1, стога ова вредност кондензатора може променити ширину опсега укупног кола. За стабилан рад кола у целој ширини опсега, формуле за израчунавање вредности кондензатора за потребну ширину опсега приказане су испод.

Ц1 ≤ 1 / 2π к Р1 кф _п

Где је Р1 повратни отпор, а ф _п потребна фреквенција пропусног опсега.

У стварној ситуацији, паразитски капацитет и улазни капацитет појачала играју виталну улогу у стабилности појачала Трансимпеданце. Одзив појачања шума у кругу такође ствара нестабилност због маргине помака фазе у кругу и узрокује понашање одзива прекорачења корака.

Дизајн појачала за трансимпеданцију

Да бисмо разумели како се ТИА користи у практичним дизајном, дизајнирајмо га помоћу једног отпорника и кондензатора и симулирајмо га да бисмо разумели његов рад. Комплетан круг за претварач струје у напон који користи Оп-амп је приказан испод

Горње коло користи генеричко појачало мале снаге ЛМ358. Отпорник Р1 делује као повратни отпорник, а кондензатор служи у сврху повратног кондензатора. Појачало ЛМ358 је повезано у конфигурацији негативне повратне спреге. Негативни улазни пин повезан је са константним извором струје, а позитивни пин повезан са масом или у 0-потенцијалном. Како је то симулација и целокупан круг блиско сарађује као идеалан круг, вредност кондензатора не би много утицала, али је неопходно ако је коло конструисано физички. 10пФ је разумна вредност, али вредност кондензатора се може мењати у зависности од фреквенцијског опсега опсега склопа који се може израчунати помоћу Ц1 ≤ 1 / 2π к Р1 кф _п као што је претходно речено.

За савршен рад, оп-појачало такође добија напајање из двоструког напајања на шинама које је +/- 12В. Вредност повратног отпора је изабрана као 1к.

Симулација појачавача трансимпеданце

Горњи круг се може симулирати да би се проверило да ли дизајн ради како се очекивало. Преко излаза оп-појачала повезан је једносмерни волтметар за мерење излазног напона нашег појачала Трансимпеданце. Ако струјни круг ради исправно, тада вредност излазног напона приказана на волтметру треба да буде пропорционална струји која се примењује на инвертирајућу иглу Оп-појачала.

Комплетни видео симулације можете пронаћи у наставку

У тест случају 1, улазна струја преко опционог појачала дата је као 1мА. Како је улазна импеданса оп-појачала врло висока, струја почиње да тече кроз повратни отпор, а излазни напон је поуздан у вредности повратног отпора пута тренутне струје, управљано формулом Воут = -Ис к Р1 као о чему смо раније разговарали.

У нашем колу вредност отпорника Р1 је 1к. Према томе, када је улазна струја 1мА, Воут ће бити, Воут = -Ис к Р1 Воут = -0.001 Амп к 1000 Охмс Воут = 1 Волт

Ако проверимо резултат симулације струје и напона, он се тачно подудара. Излаз је постао позитиван ефектом појачала Трансимпеданце.

У тест случају 2, улазна струја преко оптичког појачала даје се као.05мА или 500 микроампера. Стога се вредност излазног напона може израчунати као.

Воут = -Ис к Р1 Воут = -0.0005 Амп к 1000 Охмс Воут =.5 Волт

Ако проверимо резултат симулације, и овај се тачно подудара.

Ово је још једном резултат симулације. Док би изградња кола практично једноставна залутала капацитивност могла произвести временски константан ефекат у овом колу. Дизајнер треба да буде пажљив у вези са доњим тачкама приликом физичке конструкције.

Избегавајте плоче за спавање или плоче обложене бакром или било које друге тракасте плоче за повезивање. Направите коло само на ПЦБ-у.
Оп-појачало треба залемити директно на ПЦБ без држача ИЦ.
Користите кратке трагове за повратне путање и извор улазне струје (фотодиода или сличне ствари које су потребне за мерење појачалом Трансимпеданце).
Поставите повратни отпор и кондензатор што ближе оперативном појачалу.
Добро је користити отпорнике са кратким оловом.
Додајте одговарајуће кондензаторе филтера и са великим и са малим вредностима на шину за напајање.
Изаберите одговарајуће опцијско појачало посебно дизајнирано за ову сврху појачала ради једноставности дизајна.

Примене појачавача трансимпеданце

Појачало Трансимпеданције је најважнији алат за мерење тренутног сигнала за рад у вези са сензирањем светлости. Широко се користи у хемијском инжењерству, претварачима притиска, различитим врстама акцелерометара, напредним системима за помоћ возачу и технологији ЛиДАР која се користи у аутономним возилима.

Најкритичнији део круга Трансимпеданце је стабилност дизајна. То је због паразитских и буке. Дизајнер мора бити опрезан при одабиру правог појачала и мора бити опрезан при коришћењу одговарајућих ПЦБ смерница.