Трансимпедансный усилитель

Рис. 1. Упрощенный трансимпедансный усилитель

В электронике ( трансимпедансный усилитель TIA ) представляет собой преобразователь тока в напряжение, почти всегда реализованный с помощью одного или нескольких операционных усилителей . TIA можно использовать для усиления токового выхода трубок Гейгера-Мюллера , фотоумножителей, акселерометров , фотодетекторов и других типов датчиков до полезного напряжения. Преобразователи тока в напряжение используются с датчиками, у которых отклик по току более линейен, чем отклик по напряжению. Это относится к фотодиодам , где нелинейность тока нередко превышает 1% в широком диапазоне входного света. Трансимпедансный усилитель обеспечивает низкое сопротивление фотодиода и изолирует его от выходного напряжения операционного усилителя. В своей простейшей форме трансимпедансный усилитель имеет только резистор обратной связи большого номинала R _f . Коэффициент усиления усилителя задается этим резистором, и, поскольку усилитель находится в инвертирующей конфигурации, его значение равно -R _f . Существует несколько различных конфигураций трансимпедансных усилителей, каждая из которых подходит для конкретного применения. Единственным общим фактором для них является необходимость преобразования тока низкого уровня датчика в напряжение. Коэффициент усиления, полоса пропускания, а также смещения тока и напряжения изменяются в зависимости от типа датчиков, что требует разных конфигураций трансимпедансных усилителей.

Работа постоянного тока

Рис. 2. Трансимпедансный усилитель с обратносмещенным фотодиодом

В схеме, показанной на рисунке 1, фотодиод (показанный как источник тока) подключен между землей и инвертирующим входом операционного усилителя. Другой вход операционного усилителя также подключен к земле. Это обеспечивает низкоомную нагрузку для фотодиода, которая поддерживает низкое напряжение фотодиода. Фотодиод работает в фотоэлектрическом режиме без внешнего смещения. Высокий коэффициент усиления операционного усилителя удерживает ток фотодиода равным току обратной связи через R _f . Входное напряжение смещения, создаваемое фотодиодом, в этом самосмещенном фотоэлектрическом режиме очень низкое. Это обеспечивает большой коэффициент усиления без большого выходного напряжения смещения. Эта конфигурация используется с фотодиодами, которые освещаются при низком уровне освещенности и требуют большого усиления.

Коэффициент усиления по постоянному току и низкой частоте трансимпедансного усилителя определяется уравнением

$-I_{\text{in}}={\frac {V_{\text{out}}}{R_{\text{f}}}},$

так

${\frac {V_{\text{out}}}{I_{\text{in}}}}=-R_{\text{f}}$

Если коэффициент усиления велик, любое входное напряжение смещения на неинвертирующем входе операционного усилителя приведет к смещению постоянного тока на выходе. Входной ток смещения на инвертирующем выводе операционного усилителя аналогичным образом приведет к смещению выходного сигнала. Чтобы минимизировать эти эффекты, трансимпедансные усилители обычно проектируются с на полевых транзисторах (FET), которые имеют очень низкие входные напряжения смещения. входными операционными усилителями

Инвертирующий ТИА также можно использовать с фотодиодом, работающим в фотопроводящем режиме, как показано на рисунке 2. Положительное напряжение на катоде фотодиода создает обратное смещение. Это обратное смещение увеличивает ширину обедненной области и снижает емкость перехода, улучшая высокочастотные характеристики. Фотопроводящая конфигурация трансимпедансного фотодиодного усилителя используется там, где требуется более высокая полоса пропускания. Конденсатор обратной связи C _f обычно требуется для повышения стабильности.

Пропускная способность и стабильность

Рис. 3. Инкрементная модель, показывающая емкость датчика

Частотная характеристика трансимпедансного усилителя обратно пропорциональна коэффициенту усиления, установленному резистором обратной связи. Датчики, с которыми используются трансимпедансные усилители, обычно имеют большую емкость, чем может выдержать операционный усилитель. Датчик можно смоделировать как источник тока и конденсатор C _i . Эта емкость на входных клеммах операционного усилителя, которая включает в себя внутреннюю емкость операционного усилителя, вводит фильтр нижних частот в цепь обратной связи. Отклик нижних частот этого фильтра можно охарактеризовать как коэффициент обратной связи:

$\beta ={\frac {1}{1+R_{\text{f}}C_{\text{i}}s}},$

Если принять во внимание влияние отклика фильтра нижних частот, уравнение отклика схемы будет выглядеть следующим образом:

$V_{\text{out}}=I_{\text{p}}{\frac {-R_{\text{f}}}{1+{\frac {1}{A_{\text{OL}}\beta }}}},$

где $A_{\text{OL}}$ это коэффициент усиления операционного усилителя в разомкнутом контуре.

На низких частотах коэффициент обратной связи β мало влияет на отклик усилителя. Отклик усилителя будет близок к идеальному:

$V_{\text{out}}=-I_{\text{p}}R_{\text{f}}$

до тех пор, пока коэффициент усиления петли: $A_{\text{OL}}\beta$ гораздо больше единицы.

Рис. 4. График Боде некомпенсированного трансимпедансного усилителя

На графике Боде трансимпедансного усилителя без компенсации плоская кривая с пиком, обозначенным как усиление I-V, представляет собой частотную характеристику трансимпедансного усилителя. Пик кривой усиления типичен для некомпенсированных или плохо компенсированных трансимпедансных усилителей. Кривая, обозначенная A _OL, представляет собой характеристику усилителя в разомкнутом контуре. Фактор обратной связи, представленный как обратная величина, обозначен 1/β. На рис. 4 кривая 1/β и A _OL образуют равнобедренный треугольник с осью частот. Обе стороны имеют равные, но противоположные наклоны, поскольку одна является результатом полюса первого порядка первого порядка, а другая — нуля . Каждый наклон имеет величину 20 дБ/декаду, что соответствует фазовому сдвигу 90°. Если к этому добавить инверсию фазы усилителя на 180°, результат составит полные 360° в точке fi _{пересечения} , обозначенной пунктирной вертикальной линией. В этом месте пересечения 1/β = A _OL для усиления контура A _OL β = 1. Колебания будут возникать на частоте fi _{из -} за фазового сдвига на 360° или положительной обратной связи и единичного усиления. Чтобы смягчить эти эффекты, разработчики трансимпедансных усилителей добавляют компенсирующий конденсатор малого номинала ( C _f на рисунке выше) параллельно резистору обратной связи. Если учитывать этот конденсатор обратной связи, компенсированный коэффициент обратной связи становится

$\beta ={\frac {1+R_{\text{f}}C_{\text{f}}s}{1+R_{\text{f}}(C_{\text{i}}+C_{\text{f}})s}}.$

Конденсатор обратной связи создает ноль или отклонение кривой отклика на частоте

$f_{C_{\text{f}}}={\frac {1}{2\pi R_{\text{f}}C_{\text{f}}}}.$

Это противодействует полюсу, создаваемому C _i на частоте

$f_{\text{zf}}={\frac {1}{2\pi R_{\text{f}}(C_{\text{i}}+C_{\text{f}})}}.$

Рис. 5. График Боде компенсированного трансимпедансного усилителя

График Боде трансимпедансного усилителя, который имеет компенсационный конденсатор в цепи обратной связи, показан на рис. 5, где компенсированный коэффициент обратной связи, представленный как обратная величина 1/β, начинает спадать раньше f _i , уменьшая крутизну перехватить. Коэффициент усиления контура по-прежнему равен единице, но общий фазовый сдвиг не составляет полных 360°. Одно из требований к колебанию устраняется добавлением компенсационного конденсатора, и схема становится стабильной. Это также уменьшает пик усиления, обеспечивая более ровный общий отклик. Существует несколько методов расчета номинала компенсационного конденсатора. Компенсационный конденсатор, имеющий слишком большую емкость, уменьшит полосу пропускания усилителя. Если конденсатор слишком мал, могут возникнуть колебания. Одной из трудностей этого метода фазовой компенсации является небольшая емкость конденсатора, а для оптимизации этого значения часто требуется итерационный метод. Не существует явной формулы для расчета емкости конденсатора, подходящей для всех случаев. метод компенсации, в котором используется конденсатор большей емкости, который не так чувствителен к паразитным эффектам емкости . Также можно использовать

Учет шума

В большинстве практических случаев доминирующим источником шума в трансимпедансном усилителе является резистор обратной связи. Шум напряжения, относящийся к выходному сигналу, представляет собой непосредственно шум напряжения на сопротивлении обратной связи. Этот шум Джонсона-Найквиста имеет среднеквадратичную амплитуду.

${\sqrt {\overline {v_{n,out}^{2}}}}={\sqrt {4k_{\text{B}}TR_{f}\Delta f}}.$

Хотя выходное шумовое напряжение увеличивается пропорционально ${\sqrt {R_{f}}}$, трансимпеданс увеличивается линейно с $R_{f}$, что приводит к входному шумовому току

${\sqrt {\overline {i_{n,in}^{2}}}}={\sqrt {\frac {4k_{\text{B}}T\Delta f}{R_{f}}}}.$

Поэтому для достижения хороших шумовых характеристик следует использовать высокое сопротивление обратной связи. Однако большее сопротивление обратной связи увеличивает размах выходного напряжения и, следовательно, требуется более высокий коэффициент усиления операционного усилителя, что требует операционного усилителя с высоким коэффициентом усиления и полосой пропускания . Таким образом, сопротивление обратной связи и, следовательно, чувствительность ограничиваются требуемой рабочей частотой трансимпедансного усилителя.

Вывод для ТИА с операционным усилителем

Схема расчета выходного шума трансимпедансного усилителя с операционным усилителем и резистором обратной связи

Шумовой ток резистора обратной связи равен ${\overline {i_{n}^{2}}}={\frac {4k_{\text{B}}T\Delta f}{R_{f}}}$. Из-за виртуальной земли на отрицательном входе усилителя ${\overline {v_{n,out}^{2}}}={R_{f}}^{2}{\overline {i_{n}^{2}}}$ держит.

Таким образом, мы получаем среднеквадратичное (RMS) выходное напряжение шума. ${\sqrt {\overline {v_{n,out}^{2}}}}={\sqrt {4k_{\text{B}}TR_{f}\Delta f}}$. Желательно использовать высокий резистор обратной связи, поскольку трансимпеданс усилителя растет линейно с сопротивлением, а выходной шум растет только пропорционально квадратному корню из сопротивления обратной связи.

Дискретная конструкция TIA

Также возможно сконструировать трансимпедансный усилитель с дискретными компонентами, используя полевой транзистор в качестве элемента усиления . Это было сделано там, где требовался очень низкий коэффициент шума.

См. также

• Операционный усилитель крутизны - преобразует дифференциальное напряжение в ток.
• Оптическая связь
• PIN-диод

Источники

• Грэм, Дж. Г. (1996). Фотодиодные усилители: решения на операционных усилителях . Получите технологии. Макгроу-Хилл Образование. ISBN  978-0-07-024247-0 . Проверено 12 ноября 2020 г.