цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Что такое трансимпедансный усилитель и как он работает

Что такое трансимпедансный усилитель и как он работает

Автор: Mike(admin) от 25-07-2019, 05:55

Если попробовать объяснить простыми словами, то трансимпедансный усилитель – это схема преобразователя, которая преобразует входной ток в пропорциональное выходное напряжение. Как мы знаем, когда ток протекает через резистор, он создает падение напряжения на резисторе, которое будет пропорционально величине тока и самому значению резистора. Здесь, предполагая, что значение резистора является идеально постоянным, мы можем легко использовать закон Ома для расчета значения тока на основе значения напряжения. Это самый базовый преобразователь тока в напряжение, и, поскольку для этого мы использовали резистор (пассивный элемент), он называется пассивным преобразователем тока в напряжение.


Что такое трансимпедансный усилитель и как он работает

С другой стороны, трансимпедансный усилитель является активным преобразователем тока в напряжение, поскольку он использует активный компонент, такой как операционный усилитель, для преобразования входного тока в пропорциональное выходное напряжение. Также возможно создание активных преобразователей с использованием других активных компонентов, таких как транзисторы IGBT, MOSFET и т. д. Наиболее часто используемым преобразователем тока в напряжение является трансимпедансный усилитель (TIA), поэтому в этой статье мы узнаем больше об этом устройстве, и как использовать его в ваших схемах.


Теперь, когда мы знаем, что даже резистор можно использовать для преобразования тока в напряжение, почему мы должны создавать активные преобразователи тока в напряжение с использованием операционного усилителя? Какое преимущество и важность он имеет по сравнению с пассивным преобразователем?


Чтобы ответить на это, давайте предположим, что светочувствительный диод (источник тока) подает ток через свой вывод в зависимости от падающего на него света, и простой резистор подключается через фотодиод для преобразования выходного тока в пропорциональное напряжение, как показано на рисунке.


Что такое трансимпедансный усилитель и как он работает

Вышеупомянутая схема может хорошо работать в теории, но на практике производительность будет снижаться, поскольку фотодиод также будет иметь некоторые нежелательные емкостные свойства, называемые паразитной емкостью. Вследствие этого для меньшего значения сенсорного резистора постоянная времени (t) (t = сенсорное сопротивление x паразитная емкость) будет небольшой, и, следовательно, коэффициент усиления будет низким. Совершенно противоположное произойдет, если сопротивление увеличится, коэффициент усиления будет высоким, а постоянная времени также будет выше значения малого резистора. Это неравномерное усиление приведет к недостаточному отношению сигнал / шум, а диапазон выходного напряжения ограничен. Поэтому для устранения проблем, связанных с низким коэффициентом усиления и шумом, часто предпочтительным является трансимпедансный усилитель. В дополнение к этому в трансимпедансном усилителе разработчик может также настроить пропускную способность и характеристику усиления схемы в соответствии с требованиями проекта.


Схема трансимпедансного усилителя представляет собой простой инвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью. Наряду с усилителем к инвертирующему выводу усилителя подключен единственный резистор обратной связи (R1), как показано ниже.


Что такое трансимпедансный усилитель и как он работает

Как мы знаем, входной ток операционного усилителя будет нулевым из-за его высокого входного сопротивления, поэтому ток от нашего источника тока должен полностью проходить через резистор R1. В этот момент выходное напряжение (Vout) операционного усилителя можно рассчитать по следующей формуле: Vout = -Is x R1.


Эта формула справедлива для идеальной схемы. Но в реальной схеме операционный усилитель будет состоять из некоторого значения входной емкости и паразитной емкости на его входных контактах, что может вызвать дрейф на выходе и колебание сигнала, делая всю цепь нестабильной. Чтобы решить эту проблему, вместо одного пассивного компонента для правильной работы схемы трансимпедансного преобразователя требуются два пассивных компонента. Этими двумя пассивными компонентами являются уже имеющийся резистор (R1) и дополнительный конденсатор (C1). Резистор и конденсатор подключены параллельно между отрицательным входом и выходом усилителя, как показано на рисунке.


Что такое трансимпедансный усилитель и как он работает

Операционный усилитель здесь снова подключен в состоянии отрицательной обратной связи через резистор R1 и конденсатор C1. Ток (Is), приложенный к инвертирующему выводу усилителя, будет преобразован в эквивалентное напряжение на выходной стороне. Значение входного тока и значение резистора (R1) можно использовать для определения выходного напряжения трансимпедансного усилителя.


Выходное напряжение не только зависит от резистора обратной связи, но также имеет отношение к значению конденсатора обратной связи C1. Полоса пропускания схемы зависит от значения конденсатора обратной связи C1, поэтому это значение конденсатора может изменить полосу пропускания всей цепи. Для стабильной работы схемы во всей полосе пропускания имеется формула для расчета значения конденсатора для требуемой полосы пропускания: C1 ≤ 1 / 2π x R1 x f. Где R1 – резистор обратной связи, а f – требуемая частота полосы пропускания.


В реальной ситуации паразитная емкость и входная емкость усилителя играет жизненно важную роль в стабильности трансимпедансного усилителя. Реакция на усиление шума схемы также создает нестабильность из-за запаса на фазовый сдвиг цепи и вызывает перерегулирование.


Чтобы понять, как использовать трансимпедансный усилитель в практических проектах, давайте спроектируем один с использованием одного резистора и конденсатора и смоделируем его, чтобы понять его работу. Полная схема для преобразователя тока в напряжение с использованием операционного усилителя показана далее.


Что такое трансимпедансный усилитель и как он работает

Схема использует стандартный усилитель низкой мощности LM358. Резистор R1 действует как резистор обратной связи, а конденсатор служит конденсатором обратной связи. Усилитель LM358 подключен в конфигурации с отрицательной обратной связью. Отрицательный входной контакт подключен к источнику постоянного тока, а положительный контакт подключен к земле или точке с нулевым потенциалом. Поскольку это симуляция, и вся схема работает как идеальная схема, значение конденсатора не сильно повлияет, но это важно, если схема будет построена физически. Емкость 10 пФ является приемлемым значением, но значение конденсатора можно изменить в зависимости от ширины полосы частот схемы, которую можно рассчитать с использованием вышеприведенной формулы. Для идеальной работы операционный усилитель также получает питание от двойной шины питания, которая обеспечивает +/- 12В. Значение резистора обратной связи выбрано как 1 кОм.


Вышеупомянутая схема может быть смоделирована, чтобы проверить, работает ли проект как ожидалось. Вольтметр постоянного тока подключен через выход операционного усилителя для измерения выходного напряжения нашего трансимпедансного усилителя. Если схема работает нормально, то значение выходного напряжения, отображаемое на вольтметре, должно быть пропорционально току, приложенному к инвертирующему выводу операционного усилителя.


В тестовом примере входной ток через операционный усилитель составляет 1 мА. Поскольку входной импеданс операционного усилителя очень высок, ток начинает течь через резистор обратной связи, а выходное напряжение зависит от значения резистора обратной связи, умноженного на ток, определяемого формулой Vout = -Is x R1 как мы обсуждали ранее.


В нашей схеме значение резистора R1 составляет 1 кОм. Поэтому, когда входной ток составляет 1 мА, Vout будет 1 В. Если мы проверим наш результат моделирования преобразователя тока в напряжение, он точно совпадет. Выходной сигнал стал положительным благодаря эффекту трансимпедансного усилителя.


Что такое трансимпедансный усилитель и как он работает

Трансимпедансный усилитель является наиболее важным инструментом измерения токового сигнала при определении уровня света. Он широко используется в химическом оборудовании, датчиках давления, акселерометрах различных типов, передовых системах помощи водителю и лидарах, которые используются в беспилотных транспортных средствах.




© digitrode.ru


Теги: трансимпедансный усилитель, операционный усилитель



   Благодарим Вас за интерес к информационному проекту digitrode.ru.
   Если Вы хотите, чтобы интересные и полезные материалы выходили чаще, и было меньше рекламы,
   Вы можее поддержать наш проект, пожертвовав любую сумму на его развитие.


Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий