Transimpedans yükseltici

Basit kelimelerle açıklamak gerekirse, bir Transimpedans amplifikatörü, giriş akımını orantılı bir çıkış voltajına dönüştüren bir dönüştürücü devresidir. Akımın bir dirençten ne zaman geçtiğini bildiğimiz gibi, direnç boyunca akımın değeri ve değer direncinin kendisiyle orantılı olacak bir voltaj düşüşü yaratır. Burada, direncin değerinin ideal olarak sabit olduğunu varsayarsak, Gerilim değerine bağlı olarak akımın değerini hesaplamak için Ohm Yasasını kolayca kullanabiliriz. Bu, Gerilim Dönüştürücüsüne en temel Akımdır ve bunu gerçekleştirmek için bir direnç (Pasif eleman) kullandığımız için buna Pasif Akımdan Gerilim Dönüştürücüsüne denir.

Öte yandan, bir Transimpedans amplifikatörü, giriş akımını orantılı bir çıkış voltajına dönüştürmek için Op-Amp gibi aktif bir bileşen kullandığından, aktif bir akım-voltaj dönüştürücüsüdür. Aktif inşa etmek de mümkündür V dönüştürücüler I vb BJT'lerin, IGBTs, MOSFET'lere gibi diğer aktif bileşenler kullanılarak en sık Gerilim dönüştürücü Akım kullanılacak transempedans Amplifikatör (TIA), bu nedenle bu makalede bu konuda daha fazla bilgi edinmek ve devre tasarımlarınızda nasıl kullanılır.

Transimpedans Amplifikatörünün Önemi

Şimdi bir direncin bile akımı voltaja dönüştürmek için kullanılabileceğini bildiğimize göre, neden Op-Amp kullanarak voltaj dönüştürücülere aktif bir akım oluşturmak zorundayız? Pasif V'den I dönüştürücülere göre ne gibi bir avantajı ve önemi var?

Buna cevap vermek için ışığa duyarlı bir diyotun (akım kaynağının) üzerine düşen ışığa bağlı olarak terminali boyunca akım sağladığını varsayalım ve çıkış akımını aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi orantılı bir voltaja dönüştürmek için fotodiyot boyunca basit bir düşük değerli direnç bağlanır. aşağıdaki resim.

Yukarıdaki devre teoriye göre iyi çalışabilir, ancak pratikte performansın boşluğu giderilecektir çünkü foto-diyot ayrıca başıboş kapasitans adı verilen bazı istenmeyen kapasitif özelliklerden oluşacaktır. Bundan dolayı, daha küçük bir duyu direnci değeri için, zaman sabiti (t) (t = duyu direnci x Kaçak Kapasitans) küçük olacak ve dolayısıyla kazanç düşük olacaktır. Algılama direnci artarsa tam tersi olur, kazanç yüksek olur ve zaman sabiti de küçük direnç değerinden daha yüksek olur. Bu düzensiz kazanç, yetersiz sinyal / gürültü oranına yol açacaktır.ve çıkış voltajının esnekliği sınırlıdır. Bu nedenle, zayıf kazanç ve gürültü ile ilgili sorunları gidermek için, genellikle bir Transimpedans amplifikatörü tercih edilir. Buna bir Transimpedans amplifikatöründe ek olarak, tasarımcı ayrıca tasarım gereksinimlerine göre bant genişliğini ve devrenin kazanç yanıtını yapılandırabilir.

Transimpedans Amplifikatörünün Çalışması

Transimpedans amplifikatör devresi, negatif geri beslemeli basit bir Ters çevirici amplifikatördür. Amplifikatör ile birlikte, tek bir geri besleme direnci (R1), aşağıda gösterildiği gibi Amplifikatörün ters çeviren ucuna bağlanır.

Bir Op-Amp'ın giriş akımının yüksek giriş empedansı nedeniyle sıfır olacağını bildiğimiz için, mevcut kaynağımızdan gelen akımın R1 direncinden tamamen geçmesi gerekir. Bu akımı Is olarak ele alalım. Bu noktada, Op-Amp'ın çıkış voltajı (Vout) aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir -

Vout = -Is x R1

Bu formül ideal bir devrede geçerli olacaktır. Ancak gerçek bir devrede, op-amp, tüm devreyi kararsız hale getirerek çıkış kaymasına ve zil salınımına neden olabilecek giriş pimleri boyunca bir miktar giriş kapasitansı ve kaçak kapasitans içerecektir. Bu sorunun üstesinden gelmek için, tek bir pasif bileşen yerine, Transimpedans devresinin düzgün çalışması için iki pasif bileşen gereklidir. Bu iki pasif bileşen, önceki direnç (R1) ve ek bir kapasitördür (C1). Hem direnç hem de kapasitör, aşağıda gösterildiği gibi amplifikatör negatif girişi ve çıkışı arasında paralel olarak bağlanır.

Buradaki işlemsel amplifikatör, tekrar negatif geri besleme durumunda direnç R1 ve geri besleme olarak C1 kondansatörü aracılığıyla bağlanır. Transimpedance amplifikatörün Ters çevirme pinine uygulanan akım (Is), Vout olarak çıkış tarafında eşdeğer voltaja dönüştürülecektir. Giriş akımının değeri ve direnç değeri (R1), Transimpedans amplifikatörünün çıkış voltajını belirlemek için kullanılabilir.

Çıkış voltajı sadece geri besleme direncine bağlı değildir, aynı zamanda C1 geri besleme kapasitörünün değeri ile de bir ilişkisi vardır. Devre bant genişliği, geri besleme kondansatör değeri C1'e bağlıdır, bu nedenle bu kondansatör değeri, genel devrenin bant genişliğini değiştirebilir. Devrenin tüm bant genişliğinde kararlı çalışması için gerekli bant genişliği için kondansatör değerini hesaplayacak formüller aşağıda gösterilmiştir.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Burada, R1, geri besleme direnci ve f _p, gerekli bant genişliği frekansıdır.

Gerçek bir durumda, amplifikatörün parazitik kapasitansı ve giriş kapasitansı, Transimpedans amplifikatörünün kararlılığında hayati bir rol oynar. Devrenin gürültü kazancı yanıtı da devre fazı kayma marjı nedeniyle kararsızlık yaratır ve aşma adımı yanıt davranışına neden olur.

Transimpedans Amplifikatör Tasarımı

TIA'nın pratik tasarımlarda nasıl kullanılacağını anlamak için, tek bir direnç ve kapasitör kullanarak bir tane tasarlayalım ve çalışmasını anlamak için simüle edelim. Op-amp kullanarak akım-voltaj dönüştürücü için tam devre aşağıda gösterilmiştir

Yukarıdaki devre, genel düşük güç amplifikatörü LM358'i kullanır. Direnç R1, bir geri besleme direnci görevi görür ve kapasitör, bir geri besleme kapasitörünün amacına hizmet eder. LM358 amplifikatörü bir negatif geri besleme konfigürasyonunda bağlanmıştır. Negatif giriş pini sabit bir akım kaynağına bağlanır ve pozitif pim toprağa veya 0 potansiyeline bağlıdır. Bu bir simülasyon olduğu ve genel devre ideal bir devre olarak yakın çalıştığı için, kapasitör değeri çok fazla etkilemeyecektir, ancak devre fiziksel olarak inşa edilmişse önemlidir. 10pF makul bir değerdir ancak kapasitör değeri, daha önce tartışıldığı gibi C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p kullanılarak hesaplanabilen devrenin frekans bant genişliğine bağlı olarak değiştirilebilir.

Mükemmel çalışma için op-amp, +/- 12V olan çift güç rayı kaynağından da güç alır. Geri besleme direnci değeri 1k olarak seçilir.

Transimpedans amplifikatör Simülasyonu

Tasarımın beklendiği gibi çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için yukarıdaki devre simüle edilebilir. Transimpedans amplifikatörümüzün çıkış voltajını ölçmek için op-amp çıkışına bir DC voltmetre bağlanır. Devre düzgün çalışıyorsa, voltmetrede görüntülenen çıkış voltajının değeri, Op-Amp'ın ters çevirme pimine uygulanan akımla orantılı olmalıdır.

Tam simülasyon videosu aşağıda bulunabilir

Test durumu 1'de, op-amp boyunca giriş akımı 1mA olarak verilir. Olarak op-amp giriş empedansı çok yüksektir, mevcut başlangıç geri besleme direnci üzerinden akmasına ve çıkış gerilimi, formül Vout = -is x R1, tabi mevcut akan geri besleme direnci değeri kez güvenilir olduğu daha önce tartıştık.

Devremizde Direnç R1'in değeri 1k'dır. Bu nedenle, giriş akımı 1mA olduğunda, Vout, Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Akımdan Voltaja simülasyon sonucumuzu kontrol edersek, tam olarak eşleşir. Çıkış, Transimpedans amplifikatörünün etkisiyle pozitif hale geldi.

Test durumu 2'de, op-amp boyunca giriş akımı.05mA veya 500 mikroamper olarak verilir. Bu nedenle çıkış voltajının değeri olarak hesaplanabilir.

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

Simülasyon sonucunu kontrol edersek, bu da tam olarak eşleşir.

Bir kez daha bu bir simülasyon sonucudur. Devreyi kurarken pratik olarak basit kaçak kapasitans, bu devrede zaman sabiti etkisi yaratabilir. Tasarımcı fiziksel olarak inşa ederken aşağıdaki noktalara dikkat etmelidir.

Bağlantı için devre tahtaları veya bakır kaplı tahtalar veya diğer şerit panolardan kaçının. Devreyi yalnızca PCB üzerinde oluşturun.
Op-Amp, IC tutucu olmadan doğrudan PCB'ye lehimlenmelidir.
Geri besleme yolları ve giriş akımı kaynağı için kısa izler kullanın (Fotodiyot veya bir Transimpedans amplifikatörü tarafından ölçülmesi gereken benzer şeyler).
Geri besleme direncini ve kapasitörü işlemsel yükselticiye mümkün olduğunca yakın yerleştirin.
Kısa kurşunlu dirençler kullanmak iyidir.
Güç kaynağı rayına hem büyük hem de küçük değerlere sahip uygun filtre kapasitörleri ekleyin.
Tasarımın basitliği için amplifikatörün bu amacı için özel olarak tasarlanmış uygun op-amp seçin.

Transimpedans Amplifikatörünün Uygulamaları

Bir Transimpedans amplifikatörü, ışık algılama ile ilgili işlemler için en temel akım sinyali ölçüm aracıdır. Kimya mühendisliğinde, basınç dönüştürücülerinde, farklı ivmeölçer tiplerinde, gelişmiş sürücü destek sistemlerinde ve otonom araçlarda kullanılan LiDAR teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Transimpedans devresinin en kritik kısmı tasarım kararlılığıdır. Bunun nedeni parazit ve gürültü ile ilgili sorunlardır. Tasarımcı, doğru amplifikatörü seçerken dikkatli olmalı ve uygun PCB yönergelerini kullanmaya dikkat etmelidir.