Transimpedanso stiprintuvas

Norėdami paaiškinti paprastais žodžiais, „ Transimpedance“ stiprintuvas yra keitiklio grandinė, kuri įvesties srovę paverčia proporcinga išėjimo įtampa. Kaip mes žinome, kai srovė teka per rezistorių, tai sukuria įtampos kritimą per rezistorių, kuris bus proporcingas srovės ir paties rezistoriaus vertei. Darant prielaidą, kad rezistoriaus vertė yra idealiai pastovi, galime lengvai naudoti Omo dėsnį, kad apskaičiuotume srovės vertę pagal įtampos vertę. Tai yra pats pagrindinis srovės ir įtampos keitiklis, ir kadangi mes tam panaudojome rezistorių (pasyvųjį elementą), jis vadinamas pasyvios srovės ir įtampos keitikliu.

Kita vertus, „ Transimpedance“ stiprintuvas yra aktyvus srovės ir įtampos keitiklis, nes jis naudoja aktyvų komponentą, pvz., „Op-Amp“, kad įvesties srovę paverstų proporcinga išėjimo įtampa. Taip pat galima sukurti aktyvius I į V keitiklius naudojant kitus aktyvius komponentus, tokius kaip BJT, IGBT, MOSFET ir kt. Dažniausiai naudojamas srovės ir įtampos keitiklis yra transimpedansinis stiprintuvas (TIA), todėl šiame straipsnyje mes sužinosime daugiau apie tai ir kaip jį naudoti kuriant grandines.

Transimpedanso stiprintuvo svarba

Dabar, kai žinome, kad net rezistorius gali būti naudojamas konvertuojant srovę į įtampą, kodėl mes turime kurti aktyvią srovę į įtampos keitiklius naudodami „Op-Amp“? Kokį pranašumą ir svarbą jis turi palyginti su „Passive V to I“ keitikliais?

Atsakymas, leidžiantis manyti, kad šviesai jautrus diodas (srovės šaltinis) tiekia srovę per savo gnybtą, priklausomai nuo ant jo krentančios šviesos, ir per fotodiodą prijungtas paprastas mažos vertės rezistorius, kad išvesties srovė būtų paversta proporcinga įtampa, kaip parodyta vaizdas žemiau.

Teoriškai minėta grandinė gali gerai veikti, tačiau praktiškai našumas bus atimtas, nes fotodiodą taip pat sudarys kai kurios nepageidaujamos talpinės savybės, vadinamos valkata. Dėl šios priežasties mažesnei jutiklio rezistoriaus vertei laiko konstanta (t) (t = jutimo varža x valymo talpa) bus maža, todėl padidėjimas bus mažas. Visiškai priešingai nutiks, jei padidės jutimo varža, padidėjimas bus didelis, o laiko konstanta taip pat bus didesnė už mažą rezistoriaus vertę. Dėl šio netolygaus stiprinimo signalo ir triukšmo santykis bus nepakankamaso išėjimo įtampos lankstumas yra ribotas. Todėl norint išspręsti prastą stiprinimą ir triukšmą, pirmenybė teikiama „Transimpedance“ stiprintuvui. Prie to pridėjus „Transimpedance“ stiprintuvą, dizaineris taip pat gali sukonfigūruoti grandinės pralaidumą ir stiprinimo atsaką pagal projektavimo reikalavimus.

Transimpedanso stiprintuvo darbas

„Transimpedance“ stiprintuvo grandinė yra paprastas invertuojantis stiprintuvas, turintis neigiamą grįžtamąjį ryšį. Kartu su stiprintuvu prie atvirkštinio stiprintuvo galo prijungtas vienas grįžtamojo ryšio rezistorius (R1), kaip parodyta žemiau.

Kadangi mes žinome , kad „Op-Amp “ įėjimo srovė bus lygi nuliui dėl didelės įėjimo varžos, todėl srovė iš mūsų srovės šaltinio turi visiškai praeiti per rezistorių R1. Laikykime šią srovę kaip Is. Šiuo metu Op-Amp išėjimo įtampą (Vout) galima apskaičiuoti naudojant šią formulę:

Vout = -Is x R1

Ši formulė pasiteisins idealioje grandinėje. Tačiau tikroje grandinėje op-amp sudarys tam tikra įvesties talpos vertė ir klaidinga talpa visuose įvesties kaiščiuose, kurie gali sukelti išėjimo dreifą ir skambėjimo svyravimus, todėl visa grandinė bus nestabili. Norėdami išspręsti šią problemą, vietoj vieno pasyvaus komponento reikalingi du pasyvūs komponentai, kad tinkamai veiktų „Transimpedance“ grandinė. Šie du pasyvieji komponentai yra ankstesnis rezistorius (R1) ir papildomas kondensatorius (C1). Tiek rezistorius, tiek kondensatorius sujungiami lygiagrečiai tarp stiprintuvų neigiamos įvesties ir išėjimo, kaip parodyta žemiau.

Operacinis stiprintuvas vėl yra prijungtas neigiamos grįžtamojo ryšio sąlygomis per rezistorių R1 ir kondensatorių C1 kaip grįžtamąjį ryšį. Transimpedanso stiprintuvo inversijos kaiščiui naudojama srovė (Is) išėjimo pusėje bus konvertuojama į lygiavertę įtampą kaip Vout. „Transimpedance“ stiprintuvo išėjimo įtampai nustatyti galima naudoti įvesties srovės ir rezistoriaus vertę (R1).

Išėjimo įtampa priklauso ne tik nuo grįžtamojo rezistoriaus, bet ir turi ryšį su grįžtamojo kondensatoriaus C1 verte. Grandinės pralaidumas priklauso nuo grįžtamojo kondensatoriaus vertės C1, todėl ši kondensatoriaus vertė gali pakeisti visos grandinės pralaidumą. Norint stabiliai veikti grandinę per visą pralaidumą, žemiau pateiktos formulės, skirtos apskaičiuoti reikalingo pralaidumo kondensatoriaus vertę.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Kur, R1 yra grįžtamojo ryšio rezistorius, o f _p - reikalingas pralaidumo dažnis.

Realioje situacijoje parazitinė talpa ir stiprintuvo įėjimo talpa vaidina svarbų vaidmenį užtikrinant „Transimpedance“ stiprintuvo stabilumą. Grandinės atsakas į triukšmo stiprinimą taip pat sukuria nestabilumą dėl grandinės fazės poslinkio maržos ir sukelia viršijimo žingsnio atsako elgesį.

Transimpedanso stiprintuvo dizainas

Supraskime, kaip naudoti TIA praktiniuose projektuose, suprojektuokime vieną naudodami vieną rezistorių ir kondensatorių ir imituokime jį, kad suprastume jo veikimą. Visa srovės ir įtampos keitiklio, naudojančio „Op-amp“, grandinė parodyta žemiau

Pirmiau pateiktoje grandinėje naudojamas bendras mažos galios stiprintuvas LM358. Rezistorius R1 veikia kaip grįžtamojo ryšio rezistorius, o kondensatorius - grįžtamojo kondensatoriaus paskirtį. Stiprintuvas LM358 prijungtas neigiamos grįžtamojo ryšio konfigūracijoje. Neigiamas įvesties kaištis yra prijungtas prie pastovios srovės šaltinio, o teigiamas kaištis yra prijungtas prie žemės arba 0 potencialo. Kadangi tai yra modeliavimas ir bendra grandinė glaudžiai veikia kaip ideali grandinė, kondensatoriaus vertė daug neturės įtakos, tačiau tai yra būtina, jei grandinė yra sukonstruota fiziškai. 10pF yra pagrįsta vertė, tačiau kondensatoriaus vertę galima pakeisti priklausomai nuo grandinės dažnių juostos pločio, kurį galima apskaičiuoti naudojant C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p, kaip aptarta anksčiau.

Kad veikimas būtų tobulas, op-amp taip pat gauna maitinimą iš dvigubo maitinimo bėgių šaltinio, kuris yra +/- 12V. Grįžtamojo rezistoriaus vertė parenkama kaip 1k.

Transimpedanso stiprintuvo modeliavimas

Pirmiau pateiktą grandinę galima imituoti, kad būtų galima patikrinti, ar dizainas veikia taip, kaip tikėtasi. Per įtampos stiprintuvo išėjimą yra prijungtas nuolatinės įtampos matuoklis, skirtas išmatuoti mūsų „Transimpedance“ stiprintuvo išėjimo įtampą. Jei grandinė veikia tinkamai, tada voltmetre rodoma išėjimo įtampos vertė turėtų būti proporcinga srovei, kuri taikoma Op-Amp invertuojančiam kaiščiui.

Visą modeliavimo vaizdo įrašą galite rasti žemiau

1 bandymo atveju įėjimo srovė per op-amp yra pateikiama kaip 1mA. Kadangi op-amp stiprintuvo įėjimo varža yra labai didelė, srovė pradeda tekėti per grįžtamąjį rezistorių, o išėjimo įtampa priklauso nuo grįžtamojo ryšio rezistoriaus vertės kartų, kai teka srovė, valdoma formule Vout = -Is x R1 kaip aptarėme anksčiau.

Mūsų grandinėje rezistoriaus R1 vertė yra 1k. Todėl, kai įėjimo srovė yra 1mA, Vout bus, Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Jei patikrinsime modeliavimo iš srovės į įtampą rezultatą, jis tiksliai atitinka. Išvestis tapo teigiama dėl „Transimpedance“ stiprintuvo poveikio.

2 bandymo atveju įėjimo srovė per op-amperį suteikiama kaip.05mA arba 500 mikroamperų. Todėl išėjimo įtampos vertę galima apskaičiuoti kaip.

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

Jei patikrinsime modeliavimo rezultatą, tai taip pat tiksliai sutampa.

Tai dar kartą yra modeliavimo rezultatas. Kuriant grandinę praktiškai paprasta valkata talpa gali sukelti pastovų laiko poveikį šioje grandinėje. Konstruodamas fiziškai, dizaineris turėtų būti atsargus dėl žemiau pateiktų taškų.

Venkite jungimo lentų, vario plakiruotų lentų ar kitų juostinių lentų. Sukurkite grandinę tik ant PCB.
„Op-Amp“ reikia lituoti tiesiai į PCB be IC laikiklio.
Naudokite trumpus grįžtamojo ryšio kelius ir įvesties srovės šaltinį (fotodiodą ar panašius dalykus, kuriuos reikia išmatuoti „Transimpedance“ stiprintuvu).
Įstatykite grįžtamąjį rezistorių ir kondensatorių kuo arčiau operacinio stiprintuvo.
Gerai naudoti trumpo švino rezistorius.
Į maitinimo bėgį įdėkite tinkamus filtro kondensatorius su didelėmis ir mažomis vertėmis.
Pasirinkite paprastą stiprintuvą, specialiai sukurtą šiam stiprintuvui, kad būtų paprasčiau.

Transimpedanso stiprintuvo programos

Transimpedansinis stiprintuvas yra svarbiausias srovės signalo matavimo įrankis, susijęs su šviesos jutimu. Jis plačiai naudojamas chemijos inžinerijoje, slėgio keitikliuose, įvairių tipų akselerometruose, pažangiose vairuotojo pagalbos sistemose ir LiDAR technologijoje, kuri naudojama autonominėse transporto priemonėse.

Kritiškiausia „Transimpedance“ grandinės dalis yra konstrukcijos stabilumas. Taip yra dėl parazitinių ir triukšmo problemų. Dizaineris turi būti atsargus pasirinkdamas tinkamą stiprintuvą ir atsargiai, naudodamasis tinkamomis PCB gairėmis.