- Betydningen af transimpedansforstærker
- Arbejde med transimpedansforstærker
- Transimpedans forstærker design
- Transimpedansforstærker Simulation
- Anvendelser af Transimpedansforstærker
For at forklare med enkle ord er en transimpedansforstærker et omformerkredsløb, der konverterer indgangsstrømmen til en proportional udgangsspænding. Som vi ved, når strøm strømmer gennem en modstand, skaber det et spændingsfald over modstanden, som vil være proportional med værdien af strømmen og selve værdimodstanden. Her, forudsat at modstandens værdi er ideel konstant, kan vi let bruge Ohms Law til at beregne værdien af strømmen baseret på værdien af spænding. Dette er den mest basale strøm til spændingsomformer, og da vi har brugt en modstand (passivt element) til at opnå dette kaldes det som en passiv strøm til spændingsomformer.
På den anden side er en Transimpedansforstærker en aktiv strøm til spændingsomformer, da den bruger en aktiv komponent som Op-Amp til at konvertere indgangsstrømmen til en proportional udgangsspænding. Det er også muligt at oprette aktive I til V-konvertere ved hjælp af andre aktive komponenter som BJT'er, IGBT'er, MOSFET'er osv. Den mest anvendte strøm til spændingsomformer er Transimpedance Amplifier (TIA), så i denne artikel vil vi lære mere om det og hvordan du bruger det i dine kredsløbsdesign.
Betydningen af transimpedansforstærker
Nu hvor vi ved, at selv en modstand kan bruges til at konvertere strøm til spænding, hvorfor skal vi opbygge en aktiv strøm til spændingsomformere ved hjælp af Op-Amp? Hvilken fordel og betydning har den i forhold til Passive V til I-omformere?
For at svare på det, antager vi, at en lysfølsom diode (strømkilde) leverer strøm over sin terminal afhængigt af lyset, der falder på den, og en simpel modstand med lav værdi er forbundet over fotodioden for at konvertere udgangsstrømmen til en proportional spænding som vist i billedet nedenfor.
Ovenstående kredsløb fungerer muligvis godt af teorien, men i praksis vil ydelsen blive afkorteret, fordi fotodiode også vil bestå af nogle uønskede kapacitive egenskaber kaldet omstrejfende kapacitans. På grund af dette for en mindre værdi af sensormodstand vil tidskonstanten (t) (t = sensemodstand x Stray Capacitance) være lille, og dermed vil forstærkningen være lav. Det nøjagtige modsatte vil ske, hvis sensemodstanden øges, forstærkningen vil være høj, og tidskonstanten også vil være højere end den lille modstandsværdi. Denne ujævn forstærkning vil føre til et utilstrækkeligt signal / støj-forholdog udgangsspændingens fleksibilitet er begrænset. Derfor foretrækkes ofte en Transimpedans-forstærker for at løse de dårlige forstærknings- og støjrelaterede problemer. Tilføjelse til dette i en Transimpedans-forstærker, kan designeren også konfigurere båndbredden og forstærkningssvaret for kredsløbet i henhold til designkravene.
Arbejde med transimpedansforstærker
Transimpedansforstærkerkredsløbet er en simpel inverterende forstærker med negativ feedback. Sammen med forstærkeren er en enkelt feedback-modstand (R1) forbundet til den inverterende ende af forstærkeren som vist nedenfor.
Som vi ved, vil en Op-Amps indgangsstrøm være nul på grund af dens høje indgangsimpedans, og derfor skal strømmen fra vores nuværende kilde passere helt gennem modstanden R1. Lad os betragte denne strøm som den er. På dette tidspunkt kan Op-Amp's udgangsspænding (Vout) beregnes ved hjælp af nedenstående formel -
Vout = -Is x R1
Denne formel gælder i et ideelt kredsløb. Men i et rigtigt kredsløb vil op-forstærkeren bestå af en vis værdi af indgangskapacitans og omstrejfende kapacitans på tværs af indgangsstifterne, hvilket kan forårsage udgangsdrift og ringende svingning, hvilket gør hele kredsløbet ustabilt. For at overvinde dette problem kræves der to passive komponenter i stedet for en enkelt passiv komponent for korrekt funktion af Transimpedanskredsløbet. Disse to passive komponenter er den tidligere modstand (R1) og en yderligere kondensator (C1). Både modstanden og kondensatoren er forbundet parallelt mellem forstærkernes negative indgang og udgangen som vist nedenfor.
Operationsforstærkeren er her igen forbundet i negativ feedback-tilstand gennem modstanden R1 og kondensatoren C1 som feedback. Strømmen (Is), der tilføres Transimpedansforstærkerens inverterende ben, konverteres til ækvivalent spænding på udgangssiden som Vout. Værdien af indgangsstrømmen og værdien af modstanden (R1) kan bruges til at bestemme transimpedansforstærkerens udgangsspænding.
Udgangsspændingen er ikke kun afhængig af feedback-modstanden, men den har også et forhold til værdien af feedback-kondensatoren C1. Kredsløbets båndbredde er afhængig af feedback kondensatorværdien C1, derfor kan denne kondensatorværdi ændre båndbredden for det samlede kredsløb. For den stabile drift af kredsløbet i hele båndbredden vises nedenstående formler til beregning af kondensatorværdi for krævet båndbredde.
C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf p
Hvor R1 er feedback-modstanden, og f p er den krævede båndbreddefrekvens.
I en reel situation spiller parasitisk kapacitans og forstærkerens inputkapacitans en vigtig rolle i Transimpedansforstærkerens stabilitet. Støjen forstærkning reaktion af kredsløbet skaber også ustabilitet på grund af kredsløb faseskift margen og forårsage overskridelse stepresponse adfærd.
Transimpedans forstærker design
For at forstå hvordan man bruger TIA i praktiske designs, lad os designe en ved hjælp af en enkelt modstand og kondensator og simulere den for at forstå dens funktion. Det komplette kredsløb for strøm til spændingsomformer ved hjælp af Op-amp er vist nedenfor
Ovenstående kredsløb bruger generisk forstærker med lav effekt LM358. Modstanden R1 fungerer som en feedbackmodstand, og kondensatoren tjener formålet med en feedbackkondensator. Forstærkeren LM358 er tilsluttet i en negativ feedback-konfiguration. Den negative indgangsstift er forbundet til en konstant strømkilde, og den positive pin er forbundet til jorden eller i potentialet 0. Da det er en simulering, og det samlede kredsløb fungerer tæt som et ideelt kredsløb, ville kondensatorværdien ikke påvirke meget, men det er vigtigt, hvis kredsløbet er konstrueret fysisk. 10pF er en rimelig værdi, men kondensatorværdien kan ændres afhængigt af frekvensbåndbredden på kredsløbet, som kan beregnes ved hjælp af C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf p som beskrevet tidligere.
For den perfekte drift får op-forstærkeren også strøm fra en dobbelt strømforsyning, der er +/- 12V. Feedbackmodstandsværdien er valgt som 1k.
Transimpedansforstærker Simulation
Ovenstående kredsløb kan simuleres for at kontrollere, om designet fungerer som forventet. Et jævnstrøms voltmeter er forbundet over op-amp output for at måle udgangsspændingen på vores Transimpedans forstærker. Hvis kredsløbet fungerer korrekt, skal værdien af udgangsspændingen, der vises på voltmeteret, være proportional med strømmen, der anvendes på den inverterende pin på Op-Amp.
Den komplette simuleringsvideo kan findes nedenfor
I testtilfælde 1 angives indgangsstrømmen over op-amp som 1mA. Da op-forstærkerens indgangsimpedans er meget høj, begynder strømmen at strømme gennem feedback-modstanden, og udgangsspændingen er afhængig af feedback-modstandens værdi gange strømmen strømmer, styret af formlen Vout = -Is x R1 vi diskuterede tidligere.
I vores kredsløb er værdien af modstand R1 1k. Derfor, når indgangsstrømmen er 1mA, vil Vout være, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt
Hvis vi kontrollerer vores nuværende til spændingssimuleringsresultat, matcher det nøjagtigt. Outputtet blev positivt af effekten af Transimpedance forstærker.
I testtilfælde 2 er indgangsstrømmen over op-amp'en angivet som.05mA eller 500 mikroampere. Derfor kan udgangsspændingens værdi beregnes som.
Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ohm Vout =.5 Volt
Hvis vi kontrollerer simuleringsresultatet, matcher dette også nøjagtigt.
Endnu en gang er dette et simuleringsresultat. Under opbygningen af kredsløbet kan praktisk talt let kapacitans give tidskonstant effekt i dette kredsløb. Designeren skal være forsigtig med nedenstående punkter, når han konstruerer fysisk.
- Undgå brødplader eller kobberplader eller andre strimler til tilslutning. Byg kredsløbet kun på printkort.
- Op-Amp skal loddes direkte på printkortet uden IC-holder.
- Brug korte spor til feedbackveje og indgangsstrømkilden (Fotodiode eller lignende ting, der skal måles med en Transimpedansforstærker).
- Anbring feedback-modstanden og kondensatoren så tæt som muligt på operationsforstærkeren.
- Det er godt at bruge korte blymodstande.
- Tilføj korrekte filterkondensatorer med både store og små værdier på strømforsyningsskinnen.
- Vælg den korrekte op-forstærker, der er specielt designet til dette formål af forstærkeren for at gøre det nemmere for designet.
Anvendelser af Transimpedansforstærker
En transimpedansforstærker er det mest essentielle strømmålesværktøj til lysregistreringsrelateret drift. Det bruges i vid udstrækning inden for kemiteknik, tryktransducere, forskellige typer accelerometre, avancerede førerassistentsystemer og LiDAR-teknologi, der bruges i autonome køretøjer.
Den mest kritiske del af Transimpedance-kredsløbet er designstabilitet. Dette skyldes de parasitære og støjrelaterede problemer. Designeren skal være forsigtig med at vælge den rigtige forstærker og bør være forsigtig med at bruge de rigtige PCB-retningslinjer.