Чтобы объяснить простыми словами, трансимпедансный усилитель - это схема преобразователя, которая преобразует входной ток в пропорциональное выходное напряжение. Как мы знаем, когда ток протекает через резистор, это создает падение напряжения на резисторе, которое будет пропорционально величине тока и величине самого резистора. Здесь, предполагая, что значение резистора идеально постоянное, мы можем легко использовать закон Ома для вычисления значения тока на основе значения напряжения. Это самый простой преобразователь тока в напряжение, и поскольку для его выполнения мы использовали резистор (пассивный элемент), он называется пассивным преобразователем тока в напряжение.
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 ввода-вывода с использованием других активных компонентов, таких как BJT, IGBT, MOSFET и т.д. Наиболее часто используемым преобразователем тока в напряжение является трансимпедансный усилитель (TIA), поэтому в этой статье мы узнаем больше о нем и о том, как использовать его в ваших схемотехнических решениях.
Важность трансимпедансного усилителя
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? Какие преимущества и важность он имеет перед пассивными преобразователями напряжения в I?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте предположим, что светочувствительный диод (источник тока) подает ток на свой вывод в зависимости от падающего на него света, а к фотодиоду подключен простой резистор низкого напряжения для преобразования выходного тока в пропорциональное напряжение, как показано на рисунке ниже.
Теоретически приведенная выше схема может работать хорошо, но на практике производительность будет снижена, поскольку фотодиод также будет обладать некоторыми нежелательными емкостными свойствами, называемыми паразитной емкостью. Из-за этого при меньшем значении измерительного резистора постоянная времени (t) (t = измерительное сопротивление x паразитная емкость) будет небольшой, и, следовательно, коэффициент усиления будет низким. При увеличении измерительного сопротивления произойдет прямо противоположное: коэффициент усиления будет высоким, а постоянная времени также будет выше, чем при малом значении резистора. Такое неравномерное усиление приведет к недостаточному отношению сигнал/шум, и гибкость выходного напряжения будет ограничена. Поэтому для устранения проблем, связанных с низким коэффициентом усиления и шумом, часто предпочитают трансимпедансный усилитель. В дополнение к этому в трансимпедансном усилителе разработчик может также настроить полосу пропускания и коэффициент усиления схемы в соответствии с требованиями проекта.
Работа трансимпедансного усилителя
Схема трансимпедансного усилителя представляет собой простой инвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью. Вместе с усилителем к инвертирующему концу усилителя подключен один резистор обратной связи (R1), как показано ниже.
Как мы знаем, входной ток операционного усилителя будет равен нулю из-за его высокого входного сопротивления, следовательно, ток от нашего источника тока должен полностью проходить через резистор R1. Давайте рассмотрим этот ток как есть. На этом этапе выходное напряжение (Vout) операционного усилителя может быть рассчитано по приведенной ниже формуле -
Vout = -Is x R1
Эта формула будет верна в идеальной схеме. Но в реальной схеме операционный усилитель будет состоять из некоторого значения входной емкости и паразитной емкости на его входных выводах, что может вызвать смещение выходного сигнала и колебания сигнала вызова, делая всю схему нестабильной. Чтобы преодолеть эту проблему, вместо одного пассивного компонента для правильной работы трансимпедансной схемы требуются два пассивных компонента. Этими двумя пассивными компонентами являются предыдущий резистор (R1) и дополнительный конденсатор (C1). И резистор, и конденсатор подключены параллельно между отрицательным входом усилителя и выходом, как показано ниже.
Операционный усилитель здесь снова подключен в режиме отрицательной обратной связи через резистор R1 и конденсатор C1 в качестве обратной связи. Ток (Is), подаваемый на инвертирующий вывод трансимпедансного усилителя, будет преобразован в эквивалентное напряжение на выходной стороне в виде Vout. Значение входного тока и значение резистора (R1) можно использовать для определения выходного напряжения трансимпедансного усилителя.
Выходное напряжение зависит не только от резистора обратной связи, но и от значения конденсатора обратной связи C1. Пропускная способность схемы зависит от значения конденсатора обратной связи C1, следовательно, это значение конденсатора может изменять пропускную способность всей схемы. Для стабильной работы схемы во всей полосе пропускания ниже приведены формулы для расчета величины конденсатора для требуемой полосы пропускания.
C1 ≤ 1 / 2π x R1 x fp
Где R1 — резистор обратной связи, а fp — требуемая частота полосы пропускания.
В реальной ситуации паразитная емкость и входная емкость усилителя играют жизненно важную роль в стабильности трансимпедансного усилителя. Реакция усиления шума схемы также создает нестабильность из-за запаса фазового сдвига схемы и вызывает перерегулирование скачкообразной реакции.
