- Pomen ojačevalnika transimpedance
- Delovanje transimpedančnega ojačevalnika
- Zasnova ojačevalnika transimpedance
- Transimpedančni ojačevalnik Simulacija
- Uporaba ojačevalnika transimpedance
Za preprosto razlago je ojačevalec Transimpedance pretvorniško vezje, ki pretvori vhodni tok v sorazmerno izhodno napetost. Kot vemo, ko tok teče skozi upor, ustvari padec napetosti na uporu, ki bo sorazmeren z vrednostjo toka in samim vrednostnim uporom. Tu predpostavimo, da je vrednost upora v idealnem primeru konstantna, lahko z lahkoto uporabimo Ohmov zakon za izračun vrednosti toka na podlagi vrednosti napetosti. To je najosnovnejši pretvornik toka v napetost, in ker smo za to uporabili upor (pasivni element), se imenuje pretvornik pasivnega toka v napetost.
Po drugi strani pa je ojačevalec Transimpedance pretvornik aktivnega toka v napetost, saj uporablja aktivno komponento, kot je Op-Amp, za pretvorbo vhodnega toka v sorazmerno izhodno napetost. Prav tako je mogoče zgraditi aktivne pretvornike I v V z uporabo drugih aktivnih komponent, kot so BJT, IGBT, MOSFET itd. Najpogosteje uporabljen pretvornik toka v napetost je ojačevalec transimpedance (TIA), zato bomo v tem članku izvedeli več o njem in kako ga uporabiti pri načrtovanju vezij.
Pomen ojačevalnika transimpedance
Zdaj, ko vemo, da je za pretvorbo toka v napetost mogoče uporabiti celo upor, zakaj moramo z uporabo Op-Amp zgraditi pretvornike aktivnega toka v napetost? Kakšno prednost in pomen ima pred pretvorniki Pasivni V v I?
V odgovor na to lahko domnevamo, da fotoobčutljiva dioda (trenutni vir) zagotavlja tok na svojem terminalu, odvisno od svetlobe, ki pada nanjo, in je prek fotodiode priključen preprost upor majhne vrednosti za pretvorbo izhodnega toka v sorazmerno napetost, kot je prikazano v spodnja slika.
Zgornje vezje bi lahko teoretično delovalo, v praksi pa bo zmogljivost oslabljena, ker bo foto dioda sestavljena tudi iz nekaterih neželenih kapacitivnih lastnosti, ki se imenujejo zapuščena kapacitivnost. Zaradi tega bo za manjšo vrednost zaznavnega upora časovna konstanta (t) (t = čutna upornost x zapuščena kapacitivnost) majhna, zato bo dobiček majhen. Ravno nasprotno se bo zgodilo, če se poveča zaznavalni upor, dobiček bo visok in bo tudi časovna konstanta večja od majhne vrednosti upora. Ta neenakomeren dobiček bo povzročil nezadostno razmerje signal / šumin prilagodljivost izhodne napetosti je omejena. Zato je za odpravljanje težav s slabim ojačanjem in šumom pogosto zaželen ojačevalec Transimpedance. Če temu dodamo še ojačevalnik Transimpedance, lahko oblikovalec konfigurira tudi pasovno širino in ojačevalni odziv vezja v skladu z zahtevami zasnove.
Delovanje transimpedančnega ojačevalnika
Ojačevalno vezje Transimpedance je preprost invertirni ojačevalnik z negativnimi povratnimi informacijami. Skupaj z ojačevalnikom je na povratni konec ojačevalnika priključen en povratni upor (R1), kot je prikazano spodaj.
Kot vemo, bo vhodni tok Op-ampera zaradi visoke vhodne impedance nič, zato mora tok iz našega trenutnega vira v celoti preiti skozi upor R1. Upoštevajmo ta tok kot Je. Na tej točki lahko izhodno napetost (Vout) Op-ampera izračunamo po spodnji formuli -
Vout = -Je x R1
Ta formula bo veljala v idealnem krogu. Toda v resničnem vezju bo op-amp sestavljen iz neke vrednosti vhodne kapacitivnosti in zapuščene kapacitivnosti na svojih vhodnih zatičih, kar bi lahko povzročilo izhodni odmik in nihanje zvonjenja, zaradi česar je celotno vezje nestabilno. Da bi rešili to težavo, sta namesto ene pasivne komponente potrebni dve pasivni komponenti za pravilno delovanje vezja Transimpedance. Ti dve pasivni komponenti sta prejšnji upor (R1) in dodatni kondenzator (C1). Upor in kondenzator sta vzporedno povezana med negativnim vhodom in izhodom ojačevalnikov, kot je prikazano spodaj.
Tu je operacijski ojačevalnik znova povezan v stanju negativne povratne informacije prek upora R1 in kondenzatorja C1 kot povratne informacije. Tok (Is), ki se napaja na obračalni zatič ojačevalnika Transimpedance, se pretvori v enakovredno napetost na izhodni strani kot Vout. Vrednost vhodnega toka in vrednost upora (R1) lahko uporabimo za določanje izhodne napetosti ojačevalnika Transimpedance.
Izhodna napetost ni odvisna samo od povratnega upora, ampak ima tudi povezavo z vrednostjo povratnega kondenzatorja C1. Pasovna širina vezja je odvisna od vrednosti povratnega kondenzatorja C1, zato lahko ta vrednost kondenzatorja spremeni pasovno širino celotnega vezja. Za stabilno delovanje vezja v celotni pasovni širini so spodaj prikazane formule za izračun vrednosti kondenzatorja za zahtevano pasovno širino.
C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf str
Kjer je R1 povratni upor, f p pa zahtevana pasovna širina.
V resničnih razmerah imata parazitska kapacitivnost in vhodna kapacitivnost ojačevalnika ključno vlogo pri stabilnosti ojačevalnika Transimpedance. Odziv ojačanja hrupa vezja ustvarja tudi nestabilnost zaradi meje faznega premika vezja in povzroči odzivnost koraka pri prekoračitvi.
Zasnova ojačevalnika transimpedance
Da bi razumeli, kako uporabljati TIA v praktičnih izvedbah, ga oblikujmo z enim uporom in kondenzatorjem in ga simulirajmo, da bomo razumeli njegovo delovanje. Celotno vezje za pretvornik toka v napetost z uporabo Op-amp je prikazano spodaj
Zgornje vezje uporablja generični ojačevalnik z nizko močjo LM358. Upor R1 deluje kot povratni upor in kondenzator služi namenu povratnega kondenzatorja. Ojačevalnik LM358 je povezan v konfiguraciji z negativnimi povratnimi informacijami. Negativni vhodni zatič je povezan s konstantnim tokovnim virom, pozitivni zatič pa na tla ali v potencialu 0. Ker gre za simulacijo in celotno vezje tesno deluje kot idealno vezje, vrednost kondenzatorja ne bi vplivala veliko, vendar je bistvenega pomena, če je vezje zgrajeno fizično. 10pF je razumna vrednost, vendar je vrednost kondenzatorja mogoče spremeniti glede na frekvenčno pasovno širino vezja, ki jo je mogoče izračunati z uporabo C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf p, kot smo že omenili.
Za popolno delovanje opcijski ojačevalnik napaja tudi dvojno napajalno tirnico, ki je +/- 12V. Vrednost povratnega upora je izbrana kot 1k.
Transimpedančni ojačevalnik Simulacija
Zgornje vezje lahko simuliramo, da preverimo, ali zasnova deluje po pričakovanjih. Na izhod op-amp je priključen enosmerni voltmeter za merjenje izhodne napetosti našega ojačevalnika Transimpedance. Če vezje deluje pravilno, mora biti vrednost izhodne napetosti, prikazane na voltmetru, sorazmerna s tokom, ki deluje na obračalni zatič Op-ampera.
Celoten videoposnetek o simulaciji najdete spodaj
V testnem primeru 1 je vhodni tok preko optičnega ojačevalnika podan kot 1mA. Ker je vhodna impedanca op-ojačevalnika zelo velika, tok začne teči skozi povratni upor, izhodna napetost pa je odvisna od vrednosti povratnega upora, krat trenutnega toka, ki jo določa formula Vout = -Is x R1 kot smo že razpravljali.
V našem vezju je vrednost upora R1 1k. Torej, ko je vhodni tok 1mA, bo Vout, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohmov Vout = 1 Volt
Če preverimo rezultat simulacije toka in napetosti, se natančno ujema. Izhod je postal pozitiven zaradi učinka ojačevalnika Transimpedance.
V testnem primeru 2 je vhodni tok preko optičnega ojačevalnika podan kot.05mA ali 500 mikroamperov. Zato lahko vrednost izhodne napetosti izračunamo kot.
Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ohmov Vout =.5 Volt
Če preverimo rezultat simulacije, se tudi ta natančno ujema.
Še enkrat to je rezultat simulacije. Medtem ko gradnja vezja lahko praktično preprosta zapuščena kapacitivnost povzroči časovno konstanten učinek v tem vezju. Oblikovalec mora biti pri fizični gradnji previden pri spodnjih točkah.
- Izogibajte se ploščam za plošče ali ploščam, prevlečenim z bakrom, ali kakršnimi koli drugimi ploščami za povezavo. Vezje zgradite samo na PCB.
- Op-amp je treba spajkati neposredno na tiskano vezje brez držala IC.
- Uporabite kratke sledi za povratne poti in vir vhodnega toka (fotodioda ali podobne stvari, ki jih je treba izmeriti s ojačevalnikom Transimpedance).
- Povratni upor in kondenzator postavite čim bližje operacijskemu ojačevalniku.
- Dobro je uporabiti kratke svinčene upore.
- Na napajalno tirnico dodajte ustrezne filtrirne kondenzatorje z velikimi in majhnimi vrednostmi.
- Izberite ustrezen ojačevalnik, posebej zasnovan za ta namen ojačevalnika zaradi enostavnosti zasnove.
Uporaba ojačevalnika transimpedance
Transimpedančni ojačevalnik je najpomembnejše orodje za merjenje trenutnega signala za delovanje, povezano z zaznavanjem svetlobe. Veliko se uporablja v kemijskem inženirstvu, pretvornikih tlaka, različnih vrstah merilnikov pospeška, naprednih sistemih za pomoč vozniku in tehnologiji LiDAR, ki se uporablja v avtonomnih vozilih.
Najbolj kritični del vezja Transimpedance je stabilnost zasnove. To je zaradi parazitskih in s hrupom povezanih težav. Oblikovalec mora biti previden pri izbiri pravega ojačevalnika in mora biti previden pri uporabi ustreznih smernic za tiskano vezje.