Transimpedanzverstärker

In einfachen Worten zu erklären, ist ein Transimpedanzverstärker eine Wandlerschaltung, die den Eingangsstrom in eine proportionale Ausgangsspannung umwandelt. Wie wir wissen, erzeugt ein Stromfluss durch einen Widerstand einen Spannungsabfall über dem Widerstand, der proportional zum Wert des Stroms und zum Wert des Widerstands selbst ist. Unter der Annahme, dass der Wert des Widerstands idealerweise konstant ist, können wir das Ohmsche Gesetz leicht verwenden, um den Wert des Stroms basierend auf dem Wert der Spannung zu berechnen. Dies ist der grundlegendste Strom-Spannungs-Wandler. Da wir dazu einen Widerstand (passives Element) verwendet haben, wird er als passiver Strom-Spannungs-Wandler bezeichnet.

Andererseits ist ein Transimpedanzverstärker ein aktiver Strom-Spannungs-Wandler, da er eine aktive Komponente wie Op-Amp verwendet, um den Eingangsstrom in eine proportionale Ausgangsspannung umzuwandeln. Es ist auch möglich, aktive I / V-Wandler mit anderen aktiven Komponenten wie BJTs, IGBTs, MOSFETs usw. zu bauen. Der am häufigsten verwendete Strom-Spannungs-Wandler ist der Transimpedanzverstärker (TIA). In diesem Artikel erfahren Sie mehr darüber und wie man es in seinen Schaltungsentwürfen verwendet.

Bedeutung des Transimpedanzverstärkers

Jetzt, da wir wissen, dass sogar ein Widerstand verwendet werden kann, um Strom in Spannung umzuwandeln, warum müssen wir mit Op-Amp einen aktiven Strom in Spannungswandler bauen? Welchen Vorteil und welche Bedeutung hat es gegenüber passiven V-zu-I-Wandlern?

Um dies zu beantworten, nehmen wir an, dass eine lichtempfindliche Diode (Stromquelle) abhängig von dem auf sie fallenden Licht Strom über ihren Anschluss liefert und ein einfacher niederwertiger Widerstand über die Fotodiode geschaltet wird, um den Ausgangsstrom in eine proportionale Spannung umzuwandeln, wie in der Abbildung gezeigt Bild unten.

Die obige Schaltung mag theoretisch gut funktionieren, aber in der Praxis wird die Leistung dekortiert, da die Fotodiode auch aus einigen unerwünschten kapazitiven Eigenschaften besteht, die als Streukapazität bezeichnet werden. Aus diesem Grund ist für einen kleineren Wert des Erfassungswiderstands die Zeitkonstante (t) (t = Erfassungswiderstand x Streukapazität) klein und daher ist die Verstärkung gering. Das genaue Gegenteil wird eintreten, wenn der Erfassungswiderstand erhöht wird, die Verstärkung hoch ist und die Zeitkonstante auch höher als der kleine Widerstandswert ist. Diese ungleichmäßige Verstärkung führt zu einem unzureichenden Signal-Rausch-Verhältnisund die Flexibilität der Ausgangsspannung ist begrenzt. Um die Probleme mit der schlechten Verstärkung und dem Rauschen zu beheben, wird daher häufig ein Transimpedanzverstärker bevorzugt. Zusätzlich zu einem Transimpedanzverstärker kann der Entwickler auch die Bandbreite und das Verstärkungsverhalten der Schaltung gemäß den Entwurfsanforderungen konfigurieren.

Funktionsweise des Transimpedanzverstärkers

Die Transimpedanzverstärkerschaltung ist ein einfacher invertierender Verstärker mit negativer Rückkopplung. Zusammen mit dem Verstärker ist ein einzelner Rückkopplungswiderstand (R1) an das invertierende Ende des Verstärkers angeschlossen, wie unten gezeigt.

Wie wir wissen, ist der Eingangsstrom eines Operationsverstärkers aufgrund seiner hohen Eingangsimpedanz Null, daher muss der Strom von unserer Stromquelle vollständig durch den Widerstand R1 fließen. Betrachten wir diesen Strom als Ist. Zu diesem Zeitpunkt kann die Ausgangsspannung (Vout) des Operationsverstärkers mit der folgenden Formel berechnet werden:

Vout = -Is x R1

Diese Formel gilt in einer idealen Schaltung. In einer realen Schaltung besteht der Operationsverstärker jedoch aus einem Wert der Eingangskapazität und der Streukapazität über seinen Eingangspins, was zu einer Drift des Ausgangs und einer Rufschwingung führen kann, wodurch die gesamte Schaltung instabil wird. Um dieses Problem zu lösen, sind anstelle einer einzelnen passiven Komponente zwei passive Komponenten erforderlich, damit die Transimpedanzschaltung ordnungsgemäß funktioniert. Diese beiden passiven Komponenten sind der vorherige Widerstand (R1) und ein zusätzlicher Kondensator (C1). Sowohl der Widerstand als auch der Kondensator sind wie unten gezeigt parallel zwischen dem negativen Eingang des Verstärkers und dem Ausgang geschaltet.

Der Operationsverstärker ist hier wiederum im Gegenkopplungszustand über den Widerstand R1 und den Kondensator C1 als Rückkopplung angeschlossen. Der an den invertierenden Pin des Transimpedanzverstärkers angelegte Strom (Is) wird auf der Ausgangsseite als Vout in eine äquivalente Spannung umgewandelt. Der Wert des Eingangsstroms und der Wert des Widerstands (R1) können verwendet werden, um die Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers zu bestimmen.

Die Ausgangsspannung ist nicht nur vom Rückkopplungswiderstand abhängig, sondern hat auch eine Beziehung zum Wert des Rückkopplungskondensators C1. Die Schaltungsbandbreite ist abhängig vom Rückkopplungskondensatorwert C1, daher kann dieser Kondensatorwert die Bandbreite der Gesamtschaltung verändern. Für den stabilen Betrieb der Schaltung in der gesamten Bandbreite sind die Formeln zur Berechnung des Kondensatorwerts für die erforderliche Bandbreite unten gezeigt.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Wobei R1 ist der Rückkopplungswiderstand und die f _p ist die erforderliche Bandbreitenfrequenz.

In einer realen Situation spielen die parasitäre Kapazität und die Eingangskapazität des Verstärkers eine entscheidende Rolle für die Stabilität des Transimpedanzverstärkers. Die Rauschverstärkungsantwort der Schaltung erzeugt auch eine Instabilität aufgrund der Phasenverschiebungsspanne der Schaltung und verursacht ein Überschwingungsschrittantwortverhalten.

Transimpedanzverstärker-Design

Um zu verstehen, wie TIA in praktischen Designs verwendet wird, entwerfen wir eines mit einem einzelnen Widerstand und Kondensator und simulieren es, um seine Funktionsweise zu verstehen. Die komplette Schaltung für den Strom-Spannungs-Wandler mit Operationsverstärker ist unten dargestellt

Die obige Schaltung verwendet einen generischen Niedrigleistungsverstärker LM358. Der Widerstand R1 wirkt als Rückkopplungswiderstand und der Kondensator dient dem Zweck eines Rückkopplungskondensators. Der Verstärker LM358 ist in einer Gegenkopplungskonfiguration angeschlossen. Der negative Eingangspin ist mit einer Konstantstromquelle verbunden und der positive Stift ist mit Masse oder in 0-Potential verbunden. Da es sich um eine Simulation handelt und die Gesamtschaltung eng als ideale Schaltung zusammenarbeitet, würde der Kondensatorwert nicht viel beeinflussen, aber es ist wichtig, wenn die Schaltung physikalisch aufgebaut ist. 10pF ist ein vernünftiger Wert, aber der Kondensatorwert kann abhängig von der Frequenzbandbreite der Schaltung geändert werden, die unter Verwendung von C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p berechnet werden kann, wie zuvor erläutert.

Für den perfekten Betrieb wird der Operationsverstärker auch über eine Dual-Power-Rail-Versorgung mit +/- 12 V mit Strom versorgt. Der Rückkopplungswiderstandswert wird als 1k gewählt.

Transimpedanzverstärkersimulation

Die obige Schaltung kann simuliert werden, um zu überprüfen, ob das Design wie erwartet funktioniert. Über den Operationsverstärkerausgang ist ein Gleichspannungsvoltmeter angeschlossen, um die Ausgangsspannung unseres Transimpedanzverstärkers zu messen. Wenn die Schaltung ordnungsgemäß funktioniert, sollte der auf dem Voltmeter angezeigte Wert der Ausgangsspannung proportional zum Strom sein, der an den invertierenden Pin des Operationsverstärkers angelegt wird.

Das vollständige Simulationsvideo finden Sie unten

Im Testfall 1 wird der Eingangsstrom über den Operationsverstärker mit 1 mA angegeben. Da die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers sehr hoch ist, beginnt der Strom durch den Rückkopplungswiderstand zu fließen und die Ausgangsspannung ist abhängig vom Rückkopplungswiderstandswert mal dem Stromfluss, der durch die Formel Vout = -Is x R1 as geregelt wird wir haben früher besprochen.

In unserer Schaltung beträgt der Wert des Widerstands R1 1k. Wenn der Eingangsstrom 1 mA beträgt, ist der Vout daher

Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Ampere x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Wenn wir das Ergebnis unserer Strom-Spannungs-Simulation überprüfen, stimmt es genau überein. Der Ausgang wurde durch die Wirkung des Transimpedanzverstärkers positiv.

Im Testfall 2 wird der Eingangsstrom über dem Operationsverstärker mit 0,05 mA oder 500 Mikroampere angegeben. Daher kann der Wert der Ausgangsspannung als berechnet werden.

Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Ampere x 1000 Ohm Vout = 0,5 Volt

Wenn wir das Simulationsergebnis überprüfen, stimmt dies auch genau überein.

Dies ist wieder ein Simulationsergebnis. Während des Aufbaus der Schaltung könnte eine praktisch einfache Streukapazität einen zeitkonstanten Effekt in dieser Schaltung erzeugen. Der Konstrukteur sollte beim physischen Konstruieren auf die folgenden Punkte achten.

1. Vermeiden Sie Steckbretter oder kupferkaschierte Bretter oder andere Streifenbretter zum Anschluss. Bauen Sie die Schaltung nur auf der Leiterplatte auf.
2. Der Operationsverstärker muss ohne IC-Halter direkt auf die Leiterplatte gelötet werden.
3. Verwenden Sie kurze Spuren für Rückkopplungspfade und die Eingangsstromquelle (Fotodiode oder ähnliche Dinge, die von einem Transimpedanzverstärker gemessen werden müssen).
4. Platzieren Sie den Rückkopplungswiderstand und den Kondensator so nahe wie möglich am Operationsverstärker.
5. Es ist gut, kurzlebige Widerstände zu verwenden.
6. Fügen Sie geeignete Filterkondensatoren mit großen und kleinen Werten auf der Stromversorgungsschiene hinzu.
7. Wählen Sie einen geeigneten Operationsverstärker, der speziell für diesen Zweck des Verstärkers entwickelt wurde, um das Design zu vereinfachen.

Anwendungen von Transimpedanzverstärkern

Ein Transimpedanzverstärker ist das wichtigste Instrument zur Messung von Stromsignalen für den Betrieb mit Lichtmessung. Es ist weit verbreitet in der chemischen Technik, in Druckmessumformern, verschiedenen Arten von Beschleunigungsmessern, fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen und der LiDAR-Technologie, die in autonomen Fahrzeugen verwendet wird.

Der kritischste Teil der Transimpedanzschaltung ist die Entwurfsstabilität. Dies liegt an den parasitären und lärmbedingten Problemen. Der Entwickler muss bei der Auswahl des richtigen Verstärkers vorsichtig sein und die richtigen Richtlinien für Leiterplatten verwenden.