Amplificatore a transimpedenza

Per spiegare in parole semplici un amplificatore a transimpedenza è un circuito convertitore che converte la corrente di ingresso in una tensione di uscita proporzionale. Come sappiamo, quando la corrente scorre attraverso un resistore, crea una caduta di tensione attraverso il resistore che sarà proporzionale al valore della corrente e al valore del resistore stesso. Qui, supponendo che il valore del resistore sia idealmente costante, possiamo facilmente usare la legge di Ohm per calcolare il valore della corrente in base al valore della tensione. Questo è il convertitore da corrente a tensione più elementare e poiché abbiamo utilizzato un resistore (elemento passivo) per ottenere ciò, è chiamato convertitore da corrente a tensione passivo.

D'altra parte, un amplificatore a transimpedenza è un convertitore attivo da corrente a tensione poiché utilizza un componente attivo come Op-Amp per convertire la corrente di ingresso in una tensione di uscita proporzionale. È anche possibile costruire convertitori attivi da I a V utilizzando altri componenti attivi come BJT, IGBT, MOSFET ecc. Il convertitore corrente-tensione più comunemente usato è l' amplificatore di transimpedenza (TIA), quindi in questo articolo impareremo di più e come usarlo nei progetti di circuiti.

Importanza dell'amplificatore a transimpedenza

Ora che sappiamo che anche un resistore può essere utilizzato per convertire la corrente in tensione, perché dobbiamo costruire un convertitore attivo da corrente a tensione utilizzando Op-Amp? Che vantaggio e importanza ha rispetto ai convertitori passivi da V a I?

Per rispondere a questa domanda, supponiamo che un diodo fotosensibile (sorgente di corrente) fornisca corrente attraverso il suo terminale a seconda della luce che cade su di esso e che un semplice resistore di basso valore sia collegato attraverso il fotodiodo per convertire la corrente di uscita in una tensione proporzionale come mostrato nella immagine sotto.

Il circuito sopra potrebbe funzionare bene in teoria, ma in pratica le prestazioni saranno decorticate perché il fotodiodo consisterà anche in alcune proprietà capacitive indesiderate chiamate capacità parassita. A causa di ciò per un valore inferiore del resistore di rilevamento, la costante di tempo (t) (t = resistenza di rilevamento x capacità dispersa) sarà piccola e quindi il guadagno sarà basso. L'esatto contrario accadrà se la resistenza di rilevamento viene aumentata, il guadagno sarà alto e anche la costante di tempo sarà maggiore del valore del resistore piccolo. Questo guadagno non uniforme porterà a un rapporto segnale / rumore insufficientee la flessibilità della tensione di uscita è limitata. Pertanto, per risolvere i problemi di guadagno e rumore scadenti, è spesso preferito un amplificatore a transimpedenza. Aggiungendo a questo in un amplificatore a transimpedenza, il progettista può anche configurare la larghezza di banda e la risposta del guadagno del circuito secondo i requisiti di progettazione.

Funzionamento dell'amplificatore a transimpedenza

Il circuito dell'amplificatore a transimpedenza è un semplice amplificatore invertente con feedback negativo. Insieme all'amplificatore, un singolo resistore di feedback (R1) è collegato all'estremità invertente dell'amplificatore come mostrato di seguito.

Come sappiamo, la corrente di ingresso di un amplificatore operazionale sarà zero a causa della sua elevata impedenza di ingresso, quindi la corrente dalla nostra sorgente di corrente deve passare completamente attraverso il resistore R1. Consideriamo questa corrente come è. A questo punto, la tensione di uscita (Vout) dell'amplificatore operazionale può essere calcolata utilizzando la formula seguente:

Vout = -Is x R1

Questa formula rimarrà vera in un circuito ideale. Ma in un circuito reale, l'amplificatore operazionale consisterà in un certo valore di capacità di ingresso e capacità parassita attraverso i suoi pin di ingresso che potrebbero causare deriva in uscita e oscillazioni di suoneria, rendendo instabile l'intero circuito. Per ovviare a questo problema, invece di un unico componente passivo, sono necessari due componenti passivi per il corretto funzionamento del circuito di Transimpedenza. Questi due componenti passivi sono il resistore precedente (R1) e un condensatore aggiuntivo (C1). Sia il resistore che il condensatore sono collegati in parallelo tra l'ingresso negativo dell'amplificatore e l'uscita come mostrato di seguito.

L'amplificatore operazionale qui è nuovamente collegato in condizione di feedback negativo attraverso il resistore R1 e il condensatore C1 come feedback. La corrente (Is) applicata al pin invertente dell'amplificatore di transimpedenza verrà convertita in tensione equivalente sul lato di uscita come Vout. Il valore della corrente di ingresso e il valore del resistore (R1) possono essere utilizzati per determinare la tensione di uscita dell'amplificatore a transimpedenza.

La tensione di uscita non dipende solo dal resistore di feedback, ma ha anche una relazione con il valore del condensatore di feedback C1. La larghezza di banda del circuito dipende dal valore del condensatore di retroazione C1, quindi questo valore del condensatore può alterare la larghezza di banda dell'intero circuito. Per il funzionamento stabile del circuito nell'intera larghezza di banda, di seguito sono riportate le formule per calcolare il valore del condensatore per la larghezza di banda richiesta.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Dove, R1 è il resistore di retroazione e f _p è la frequenza della larghezza di banda richiesta.

In una situazione reale, la capacità parassita e la capacità di ingresso dell'amplificatore giocano un ruolo fondamentale nella stabilità dell'amplificatore a transimpedenza. La risposta del guadagno di rumore del circuito crea anche instabilità a causa del margine di sfasamento del circuito e causa un comportamento di risposta del gradino di sovraelongazione.

Amplificatore a transimpedenza

Per capire come utilizzare TIA in progetti pratici, progettiamone uno utilizzando un singolo resistore e condensatore e simuliamolo per comprenderne il funzionamento. Di seguito è mostrato il circuito completo per il convertitore da corrente a tensione che utilizza l'amplificatore operazionale

Il circuito sopra utilizza un amplificatore generico a bassa potenza LM358. Il resistore R1 agisce come un resistore di retroazione e il condensatore serve allo scopo di un condensatore di retroazione. L'amplificatore LM358 è collegato in una configurazione a feedback negativo. Il pin di ingresso negativo è collegato a una sorgente di corrente costante e il pin positivo è collegato a massa oa potenziale 0. Poiché si tratta di una simulazione e il circuito generale funziona da vicino come un circuito ideale, il valore del condensatore non influirà molto ma è essenziale se il circuito è costruito fisicamente. 10pF è un valore ragionevole, ma il valore del condensatore può essere modificato a seconda della larghezza di banda della frequenza del circuito che può essere calcolata utilizzando C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p come discusso in precedenza.

Per un funzionamento perfetto, l'amplificatore operazionale riceve alimentazione anche da una doppia alimentazione su binario di alimentazione che è +/- 12V. Il valore del resistore di retroazione è selezionato come 1k.

Simulazione di amplificatori a transimpedenza

Il circuito sopra può essere simulato per verificare se il progetto funziona come previsto. Un voltmetro CC è collegato all'uscita dell'amplificatore operazionale per misurare la tensione di uscita del nostro amplificatore a transimpedenza. Se il circuito funziona correttamente, il valore della tensione di uscita visualizzato sul voltmetro dovrebbe essere proporzionale alla corrente applicata al pin invertente dell'Op-Amp.

Il video completo della simulazione è disponibile di seguito

Nel caso di test 1, la corrente di ingresso attraverso l'amplificatore operazionale è data come 1mA. Poiché l'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale è molto alta, la corrente inizia a fluire attraverso il resistore di retroazione e la tensione di uscita dipende dal valore del resistore di retroazione moltiplicato per il flusso di corrente, regolato dalla formula Vout = -Is x R1 come abbiamo discusso in precedenza.

Nel nostro circuito il valore del resistore R1 è 1k. Pertanto, quando la corrente di ingresso è 1mA, Vout sarà, Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Se controlliamo il nostro risultato della simulazione corrente in tensione, corrisponde esattamente. L'uscita è diventata positiva per effetto dell'amplificatore a transimpedenza.

Nel caso di test 2, la corrente di ingresso attraverso l'amplificatore operazionale è data come 0,05 mA o 500 microampere. Pertanto il valore della tensione di uscita può essere calcolato come.

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

Se controlliamo il risultato della simulazione, anche questo corrisponde esattamente.

Ancora una volta questo è un risultato di simulazione. Durante la costruzione del circuito, una capacità parassita praticamente semplice potrebbe produrre un effetto costante di tempo in questo circuito. Il progettista dovrebbe fare attenzione ai punti seguenti durante la costruzione fisica.

1. Evita le breadboard o le schede rivestite in rame o qualsiasi altra strip board per il collegamento. Costruisci il circuito solo su PCB.
2. L'amplificatore operazionale deve essere saldato direttamente al PCB senza supporto IC.
3. Utilizzare tracce brevi per i percorsi di feedback e la sorgente di corrente di ingresso (fotodiodo o cose simili che devono essere misurate da un amplificatore a transimpedenza).
4. Posizionare il resistore di feedback e il condensatore il più vicino possibile all'amplificatore operazionale.
5. È opportuno utilizzare resistori con conduttori corti.
6. Aggiungere condensatori di filtro adeguati con valori sia grandi che piccoli sulla barra di alimentazione.
7. Scegli un amplificatore operazionale appropriato appositamente progettato per questo scopo dell'amplificatore per la semplicità del design.

Applicazioni dell'amplificatore a transimpedenza

Un amplificatore a transimpedenza è lo strumento di misurazione del segnale di corrente più essenziale per il funzionamento correlato al rilevamento della luce. È ampiamente utilizzato nell'ingegneria chimica, nei trasduttori di pressione, in diversi tipi di accelerometri, nei sistemi avanzati di assistenza alla guida e nella tecnologia LiDAR utilizzata nei veicoli autonomi.

La parte più critica del circuito di transimpedenza è la stabilità del progetto. Ciò è dovuto ai problemi parassitari e legati al rumore. Il progettista deve fare attenzione nella scelta dell'amplificatore giusto e deve stare attento a utilizzare le linee guida PCB appropriate.