Transimpedances pastiprinātājs

Lai izskaidrotu vienkāršiem vārdiem, Transimpedances pastiprinātājs ir pārveidotāja ķēde, kas pārveido ieejas strāvu proporcionālā izejas spriegumā. Kā mēs zinām, kad strāva plūst caur rezistoru, tas rada sprieguma kritumu visā rezistorā, kas būs proporcionāls strāvas vērtībai un pašam rezistoram. Pieņemot, ka rezistora vērtība ir ideāli nemainīga, mēs varam viegli izmantot Ohma likumu, lai aprēķinātu strāvas vērtību, pamatojoties uz sprieguma vērtību. Šis ir visvienkāršākais strāvas un sprieguma pārveidotājs, un tā kā mēs to esam izmantojuši rezistoru (pasīvo elementu), to sauc par pasīvo strāvas pārveidotāju.

No otras puses, transimpedances pastiprinātājs ir aktīvs strāvas pārveidotājs, jo tas izmanto aktīvo komponentu, piemēram, Op-Amp, lai pārveidotu ieejas strāvu proporcionālā izejas spriegumā. Ir iespējams arī veidot aktīvos I uz V pārveidotājus, izmantojot citus aktīvos komponentus, piemēram, BJT, IGBT, MOSFET utt. Visbiežāk izmantotais strāvas un sprieguma pārveidotājs ir Transimpedances pastiprinātājs (TIA), tāpēc šajā rakstā mēs par to uzzināsim vairāk un kā to izmantot ķēdes dizainā.

Transimpedances pastiprinātāja nozīme

Tagad, kad mēs zinām, ka pat rezistoru var izmantot, lai pārveidotu strāvu spriegumā, kāpēc mums jāveido aktīva strāva sprieguma pārveidotājiem, izmantojot Op-Amp? Kāda tā priekšrocība un nozīme salīdzinājumā ar pārveidotājiem Passive V to I?

Lai atbildētu, pieņemot, ka gaismjutīgs diode (strāvas avots) nodrošina strāvu visā tā spailē atkarībā no uz to krītošās gaismas, un fotodiodei ir pievienots vienkāršs mazvērtīgs rezistors, lai izejas strāvu pārvērstu proporcionālā spriegumā, kā parādīts attēlā. attēls zemāk.

Iepriekš minētā shēma teorētiski varētu darboties labi, bet praksē veiktspēja tiks atdalīta, jo fotodiods sastāvēs arī no dažām nevēlamām kapacitatīvām īpašībām, ko sauc par klaiņojošo kapacitāti. Sakarā ar to, ka mazāka jutības rezistora vērtība, laika konstante (t) (t = maņu pretestība x klaiņošanas kapacitāte) būs maza, un tāpēc ieguvums būs mazs. Tieši pretēji notiks, ja jutības pretestība tiks palielināta, pieaugums būs liels un laika konstante arī būs lielāka par mazo rezistora vērtību. Šis nevienmērīgais pieaugums radīs nepietiekamu signāla un trokšņa attiecībuun izejas sprieguma elastība ir ierobežota. Tāpēc, lai novērstu sliktu pastiprinājumu un ar troksni saistītus jautājumus, bieži dod priekšroku Transimpedance pastiprinātājam. Pievienojot to transimpedances pastiprinātājam, dizainers var arī konfigurēt ķēdes joslas platumu un pastiprināšanas reakciju atbilstoši dizaina prasībām.

Transimpedances pastiprinātāja darbība

Transimpedances pastiprinātāja shēma ir vienkāršs pastiprinātājs ar negatīvu atgriezenisko saiti. Kopā ar pastiprinātāju, pastiprinātāja apgrieztajam galam ir pievienots viens atgriezeniskais rezistors (R1), kā parādīts zemāk.

Tā kā mēs zinām , ka Op-Amp ieejas strāva būs nulle, pateicoties tā lielajai ieejas pretestībai, tāpēc strāvai no mūsu strāvas avota ir pilnībā jāiet cauri rezistoram R1. Uzskatīsim šo strāvu par Ir. Šajā brīdī Op-Amp izejas spriegumu (Vout) var aprēķināt, izmantojot šādu formulu:

Vout = -Is x R1

Šī formula derēs ideālā ķēdē. Bet reālā ķēdē op-amp sastāvēs no kādas ieejas kapacitātes un klaiņojošās kapacitātes vērtības visā ieejas tapām, kas varētu izraisīt izejas novirzi un zvana svārstības, padarot visu ķēdi nestabilu. Lai pārvarētu šo problēmu, viena pasīvā komponenta vietā, lai pareizi darbotos Transimpedance ķēde, ir nepieciešami divi pasīvie komponenti. Šie divi pasīvie komponenti ir iepriekšējais rezistors (R1) un papildu kondensators (C1). Gan rezistors, gan kondensators ir savienoti paralēli starp pastiprinātāju negatīvo ieeju un izeju, kā parādīts zemāk.

Operatīvais pastiprinātājs šeit atkal ir savienots negatīvās atgriezeniskās saites stāvoklī caur rezistoru R1 un kondensatoru C1 kā atgriezenisko saiti. Strāva (Is), kas tiek lietota transimpedances pastiprinātāja invertēšanas tapai, izejas pusē tiks pārveidota par līdzvērtīgu spriegumu kā Vout. Ieejas strāvas vērtību un rezistora vērtību (R1) var izmantot, lai noteiktu Transimpedances pastiprinātāja izejas spriegumu.

Izejas spriegums ir atkarīgs ne tikai no atgriezeniskās saites rezistora, bet tam ir arī saistība ar atgriezeniskās saites kondensatora C1 vērtību. Ķēdes joslas platums ir atkarīgs no atgriezeniskās saites kondensatora vērtības C1, tāpēc šī kondensatora vērtība var mainīt kopējās ķēdes joslas platumu. Lai ķēde darbotos stabili visā joslas platumā, formulas, lai aprēķinātu kondensatora vērtību vajadzīgajam joslas platumam, ir parādītas zemāk.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Kur R1 ir atgriezeniskās saites rezistors un f _p ir vajadzīgā joslas platuma frekvence.

Reālā situācijā pastiprinātāja parazitārajai kapacitātei un ieejas kapacitātei ir būtiska loma Transimpedances pastiprinātāja stabilitātē. Ķēdes trokšņa pieauguma reakcija arī rada nestabilitāti ķēdes fāzes nobīdes robežas dēļ un izraisa pārmērīgas darbības reakcijas uzvedību.

Transimpedances pastiprinātāja dizains

Lai saprastu, kā praktiski izmantot TIA, izstrādāsim vienu rezistoru un kondensatoru un imitēsim to, lai saprastu tā darbību. Pilna ķēde strāvas un sprieguma pārveidotājam, izmantojot Op-amp, ir parādīta zemāk

Iepriekš minētajā shēmā tiek izmantots vispārējs mazjaudas pastiprinātājs LM358. Rezistors R1 darbojas kā atgriezeniskais rezistors, un kondensators kalpo atgriezeniskās saites kondensatora mērķim. Pastiprinātājs LM358 ir pievienots negatīvās atgriezeniskās saites konfigurācijā. Negatīvā ievades tapa ir savienota ar pastāvīgu strāvas avotu, un pozitīvā tapa ir savienota ar zemi vai 0 potenciālā stāvoklī. Tā kā tā ir simulācija, un kopējā ķēde darbojas cieši kā ideāla ķēde, kondensatora vērtība daudz neietekmēs, bet tas ir svarīgi, ja ķēde ir konstruēta fiziski. 10pF ir saprātīga vērtība, bet kondensatora vērtību var mainīt atkarībā no shēmas frekvenču joslas platuma, ko var aprēķināt, izmantojot C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p, kā tika apspriests iepriekš.

Lai darbība būtu nevainojama, op-amp iegūst enerģiju arī no divkāršās barošanas sliedes, kas ir +/- 12V. Atgriezeniskās pretestības vērtība tiek izvēlēta kā 1k.

Transimpedances pastiprinātāja simulācija

Iepriekš minēto ķēdi var simulēt, lai pārbaudītu, vai dizains darbojas kā paredzēts. Op-amp izejā ir pievienots līdzstrāvas voltmetrs, lai izmērītu mūsu Transimpedance pastiprinātāja izejas spriegumu. Ja ķēde darbojas pareizi, tad uz voltmetra parādītajai izejas sprieguma vērtībai jābūt proporcionālai strāvai, kas tiek lietota Op-Amp invertējošajam tapam.

Pilns simulācijas video atrodams zemāk

1. testa gadījumā ieejas strāva pāri op-amp ir norādīta kā 1mA. Tā kā op-amp ieejas pretestība ir ļoti augsta, strāva sāk plūst caur atgriezeniskās saites rezistoru, un izejas spriegums ir atkarīgs no atgriezeniskās saites rezistora vērtības reizes, kad strāva plūst, un to nosaka formula Vout = -Is x R1 mēs apspriedām iepriekš.

Mūsu ķēdē rezistora R1 vērtība ir 1k. Tāpēc, kad ieejas strāva ir 1mA, Vout būs

Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Ja mēs pārbaudām mūsu pašreizējās līdz sprieguma simulācijas rezultātu, tas precīzi atbilst. Transimpedances pastiprinātāja rezultātā izeja kļuva pozitīva.

2. testa gadījumā ieejas strāva pāri opampam tiek dota kā.05mA vai 500 mikroamperi. Tāpēc izejas sprieguma vērtību var aprēķināt kā.

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

Ja mēs pārbaudām simulācijas rezultātu, arī tas precīzi sakrīt.

Tas atkal ir simulācijas rezultāts. Veidojot ķēdi, praktiski vienkārša klaiņojošā kapacitāte šajā kontūrā varētu radīt pastāvīgu laika efektu. Dizaineram jābūt uzmanīgam attiecībā uz zemāk minētajiem punktiem, fiziski būvējot.

Izvairieties no pieskāriena dēļiem, vara apšūtiem dēļiem vai citiem sloksnes dēļiem. Veidojiet ķēdi tikai uz PCB.
Op-Amp ir jālodē tieši uz PCB bez IC turētāja.
Izmantojiet īsas pēdas atgriezeniskās saites ceļiem un ieejas strāvas avotam (fotodiods vai tamlīdzīgas lietas, kas jāmēra ar Transimpedance pastiprinātāju).
Novietojiet atgriezenisko pretestību un kondensatoru pēc iespējas tuvāk darbības pastiprinātājam.
Ir labi izmantot īsus svina rezistorus.
Pievienojiet pareizus filtra kondensatorus ar lielām un mazām vērtībām uz barošanas sliedes.
Dizaina vienkāršībai izvēlieties atbilstošu pastiprinātāju, kas īpaši paredzēts šim pastiprinātājam.

Transimpedances pastiprinātāja pielietojumi

Transimpedances pastiprinātājs ir vissvarīgākais strāvas signāla mērīšanas rīks ar gaismas uztveršanu saistītai darbībai. To plaši izmanto ķīmijas rūpniecībā, spiediena devējos, dažāda veida akselerometros, progresīvās vadītāja palīdzības sistēmās un LiDAR tehnoloģijā, ko izmanto autonomos transportlīdzekļos.

Transimpedances ķēdes viskritiskākā daļa ir konstrukcijas stabilitāte. Tas ir saistīts ar parazitāriem un ar troksni saistītiem jautājumiem. Projektētājam jābūt uzmanīgam, izvēloties pareizo pastiprinātāju, un viņam jābūt uzmanīgam, lai izmantotu atbilstošas PCB vadlīnijas.