เครื่องขยายเสียง Transimpedance

ที่จะอธิบายในคำพูดง่ายๆเครื่องขยายเสียงความต้านทานเป็นวงจรแปลงที่แปลงปัจจุบันการป้อนข้อมูลเพื่อแรงดันเอาท์พุทสัดส่วนดังที่เราทราบเมื่อกระแสไหลผ่านตัวต้านทานจะสร้างแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานซึ่งจะเป็นสัดส่วนกับค่าของกระแสและตัวต้านทานค่าเอง ที่นี่สมมติว่าค่าของตัวต้านทานเป็นค่าคงที่ในอุดมคติเราสามารถใช้กฎของโอห์มในการคำนวณค่าของกระแสตามค่าของแรงดันไฟฟ้าได้อย่างง่ายดาย นี่คือปัจจุบันพื้นฐานที่สุดในการแปลงแรงดันไฟฟ้าและตั้งแต่ที่เราได้ใช้ตัวต้านทาน (องค์ประกอบแบบ Passive) เพื่อให้บรรลุนี้จะเรียกว่าเป็นแบบ Passive ปัจจุบันเพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้า

ในทางกลับกันเครื่องขยายเสียงแบบ Transimpedance เป็นตัว แปลงกระแสไฟฟ้าเป็นแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากใช้ส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่เช่น Op-Amp เพื่อแปลงกระแสอินพุตเป็นแรงดันเอาต์พุตตามสัดส่วน นอกจากนี้ยังสามารถสร้างตัวแปลง I เป็น V ที่ใช้งานได้โดยใช้ส่วนประกอบที่ใช้งานอื่น ๆ เช่น BJTs, IGBTs, MOSFETs เป็นต้นตัวแปลง Current to Voltage ที่ใช้บ่อยที่สุดคือTransimpedance Amplifier (TIA)ดังนั้นในบทความนี้เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้และ วิธีใช้ในการออกแบบวงจรของคุณ

ความสำคัญของ Transimpedance Amplifier

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าแม้แต่ตัวต้านทานก็สามารถใช้ในการแปลงกระแสเป็นแรงดันได้ทำไมเราต้องสร้างกระแสที่ใช้งานเป็นตัวแปลงแรงดันโดยใช้ Op-Amp? ข้อได้เปรียบและความสำคัญอะไรบ้างที่มีมากกว่าตัวแปลง Passive V ถึง I

เพื่อตอบว่าสมมติว่าไดโอดไวแสง (แหล่งกำเนิดกระแส) กำลังให้กระแสไฟฟ้าข้ามขั้วของมันขึ้นอยู่กับแสงที่ตกกระทบและตัวต้านทานค่าต่ำอย่างง่ายเชื่อมต่อผ่านโฟโตไดโอดเพื่อแปลงกระแสเอาต์พุตเป็นแรงดันไฟฟ้าตามสัดส่วนดังที่แสดงใน ภาพด้านล่าง

วงจรข้างต้นอาจทำงานได้ดีตามทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติประสิทธิภาพจะถูกแยกประเภทเนื่องจากโฟโตไดโอดจะประกอบด้วยคุณสมบัติการเก็บประจุที่ไม่ต้องการบางอย่างที่เรียกว่าความจุหลงทาง ด้วยเหตุนี้สำหรับค่าตัวต้านทานความรู้สึกที่น้อยลงค่าคงที่ของเวลา (t) (t = ความต้านทานความรู้สึก x ความจุ Stray) จะมีขนาดเล็กและด้วยเหตุนี้อัตราขยายจะต่ำ สิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นหากความต้านทานความรู้สึกเพิ่มขึ้นกำไรจะสูงและค่าคงที่ของเวลาจะสูงกว่าค่าตัวต้านทานขนาดเล็ก อัตราขยายที่ไม่สม่ำเสมอนี้จะนำไปสู่อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ไม่เพียงพอและความยืดหยุ่นของแรงดันไฟฟ้าขาออกมี จำกัด ดังนั้นเพื่อแก้ไขปัญหาเกี่ยวกับอัตราขยายและสัญญาณรบกวนที่ไม่ดีจึงมักนิยมใช้เครื่องขยายเสียงแบบ Transimpedance การเพิ่มสิ่งนี้ในแอมพลิฟายเออร์ Transimpedance ผู้ออกแบบยังสามารถกำหนดค่าแบนด์วิดท์และการตอบสนองที่ได้รับของวงจรตามข้อกำหนดในการออกแบบ

การทำงานของ Transimpedance Amplifier

วงจรความต้านทานเครื่องขยายเสียงเป็นเครื่องขยายเสียง Inverting ง่ายด้วยการลบความคิดเห็นนอกจากแอมพลิฟายเออร์แล้วตัวต้านทานแบบป้อนกลับเดี่ยว (R1) จะเชื่อมต่อกับปลายด้านกลับของแอมพลิฟายเออร์ดังที่แสดงด้านล่าง

ดังที่เราทราบว่ากระแสอินพุตของ Op-Amp จะเป็นศูนย์เนื่องจากอิมพีแดนซ์อินพุตสูงดังนั้นกระแสจากแหล่งที่มาปัจจุบันของเราจะต้องผ่านตัวต้านทาน R1 อย่างสมบูรณ์ ลองพิจารณากระแสนี้ว่า Is ณ จุดนี้สามารถคำนวณแรงดันไฟฟ้าขาออก (Vout) ของ Op-Amp ได้โดยใช้สูตรด้านล่าง -

Vout = - คือ x R1

สูตรนี้จะเป็นจริงในวงจรอุดมคติ แต่ในวงจรจริง op-amp จะประกอบด้วยค่าความจุอินพุตและความจุหลงทางในพินอินพุตซึ่งอาจทำให้เอาต์พุตดริฟท์และการสั่นของเสียงเรียกเข้าทำให้วงจรทั้งหมดไม่เสถียร เพื่อเอาชนะปัญหานี้แทนที่จะเป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟชิ้นเดียวจำเป็นต้องมีส่วนประกอบแบบพาสซีฟสองตัวเพื่อการทำงานที่เหมาะสมของวงจร Transimpedance ส่วนประกอบแบบพาสซีฟทั้งสองนี้คือตัวต้านทานก่อนหน้า (R1) และตัวเก็บประจุเพิ่มเติม (C1) ทั้งตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเชื่อมต่อแบบขนานระหว่างอินพุตเชิงลบของแอมป์และเอาต์พุตตามที่แสดงด้านล่าง

แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้ที่นี่จะเชื่อมต่ออีกครั้งในสภาวะป้อนกลับเชิงลบผ่านตัวต้านทาน R1 และตัวเก็บประจุ C1 เป็นข้อเสนอแนะ กระแสไฟฟ้า (Is) ที่ใช้กับขา Inverting ของเครื่องขยายเสียง Transimpedance จะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าที่เท่ากันที่ด้านเอาต์พุตเป็น Vout ค่าของกระแสอินพุตและค่าของตัวต้านทาน (R1) สามารถใช้เพื่อกำหนดแรงดันไฟฟ้าขาออกของเครื่องขยายสัญญาณ Transimpedance

แรงดันไฟฟ้าขาออกไม่เพียงขึ้นอยู่กับตัวต้านทานแบบป้อนกลับเท่านั้น แต่ยังมีความสัมพันธ์กับค่าของตัวเก็บประจุป้อนกลับ C1 ด้วย แบนด์วิดท์ของวงจรขึ้นอยู่กับค่าตัวเก็บประจุป้อนกลับ C1 ดังนั้นค่าตัวเก็บประจุนี้สามารถเปลี่ยนแบนด์วิดท์ของวงจรโดยรวมได้ สำหรับการทำงานที่เสถียรของวงจรในแบนด์วิดท์ทั้งหมดสูตรคำนวณค่าตัวเก็บประจุสำหรับแบนด์วิดท์ที่ต้องการจะแสดงด้านล่าง

C1 ≤ 1 / 2π x R1 XF _พี

โดยที่ R1 คือตัวต้านทานแบบป้อนกลับและ f _pคือความถี่แบนด์วิธที่ต้องการ

ในสถานการณ์จริงความจุแบบกาฝากและความจุอินพุตของแอมพลิฟายเออร์มีบทบาทสำคัญต่อเสถียรภาพของแอมพลิฟายเออร์ Transimpedance การตอบสนองต่อสัญญาณรบกวนของวงจรยังทำให้เกิดความไม่เสถียรเนื่องจากระยะขอบของวงจรกะระยะและทำให้เกิดพฤติกรรมตอบสนองขั้นตอนที่เกิน

การออกแบบเครื่องขยายเสียง Transimpedance

เพื่อทำความเข้าใจวิธีใช้ TIA ในการออกแบบที่ใช้งานได้จริงลองออกแบบโดยใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุตัวเดียวและจำลองเพื่อให้เข้าใจการทำงาน วงจรที่สมบูรณ์สำหรับตัวแปลงกระแสเป็นแรงดันโดยใช้ Op-amp แสดงอยู่ด้านล่าง

วงจรข้างต้นใช้แอมพลิฟายเออร์กำลังต่ำทั่วไป LM358 ตัวต้านทาน R1 ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานแบบป้อนกลับและตัวเก็บประจุจะตอบสนองวัตถุประสงค์ของตัวเก็บประจุแบบป้อนกลับ แอมพลิฟายเออร์ LM358 เชื่อมต่อในการกำหนดค่าความคิดเห็นเชิงลบ ขาอินพุตเชิงลบเชื่อมต่อกับแหล่งกระแสคงที่และขาบวกเชื่อมต่อกับกราวด์หรือใน 0 ศักย์ เนื่องจากเป็นการจำลองและวงจรโดยรวมกำลังทำงานอย่างใกล้ชิดเป็นวงจรในอุดมคติค่าตัวเก็บประจุจะไม่ส่งผลกระทบมากนัก แต่เป็นสิ่งสำคัญหากวงจรถูกสร้างขึ้นทางกายภาพ 10pF เป็นค่าที่เหมาะสม แต่ค่าตัวเก็บประจุสามารถเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับแบนด์วิดท์ความถี่ของวงจรซึ่งสามารถคำนวณได้โดยใช้ C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _pตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้

เพื่อการใช้งานที่สมบูรณ์แบบ op-amp ยังได้รับพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟคู่ซึ่งเป็น +/- 12V ค่าตัวต้านทานแบบป้อนกลับถูกเลือกเป็น 1k

การจำลองแอมพลิฟายเออร์ Transimpedance

สามารถจำลองวงจรข้างต้นเพื่อตรวจสอบว่าการออกแบบทำงานตามที่คาดไว้หรือไม่ DC โวลต์มิเตอร์เชื่อมต่อผ่านเอาต์พุต op-amp เพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าขาออกของเครื่องขยายเสียง Transimpedance ของเรา หากวงจรทำงานอย่างถูกต้องค่าของแรงดันขาออกที่แสดงบนโวลต์มิเตอร์ควรเป็นสัดส่วนกับกระแสที่ใช้กับขากลับด้านของ Op-Amp

สามารถดูวิดีโอจำลองทั้งหมดได้ด้านล่าง

ในกรณีทดสอบที่ 1กระแสอินพุตข้าม op-amp จะได้รับเป็น 1mA เนื่องจากอิมพีแดนซ์อินพุตของ op-amp สูงมากกระแสจึงเริ่มไหลผ่านตัวต้านทานแบบป้อนกลับและแรงดันขาออกจะขึ้นอยู่กับค่าตัวต้านทานแบบป้อนกลับครั้งที่กระแสไหลซึ่งควบคุมโดยสูตร Vout = -Is x R1 as เราได้พูดคุยกันก่อนหน้านี้

ในวงจรของเราค่าของ Resistor R1 คือ 1k ดังนั้นเมื่อกระแสอินพุตเท่ากับ 1mA Vout จะเป็น

Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 แอมป์ x 1,000 โอห์ม Vout = 1 โวลต์

หากเราตรวจสอบผลการจำลอง Current to Voltageพบว่าตรงกันทุกประการ ผลลัพธ์กลายเป็นบวกโดยผลของ Transimpedance amplifier

ในกรณีทดสอบที่ 2กระแสอินพุตข้าม op-amp จะได้รับเป็น. 05mA หรือ 500 ไมโครแอมแปร์ ดังนั้นจึงสามารถคำนวณค่าของแรงดันขาออกได้เป็น

Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 แอมป์ x 1,000 โอห์ม Vout =.5 โวลต์

หากเราตรวจสอบผลการจำลองสิ่งนี้ก็ตรงกันทุกประการ

นี่เป็นผลการจำลองอีกครั้ง ในขณะที่สร้างวงจรความจุจรจัดที่เรียบง่ายในทางปฏิบัติสามารถสร้างผลคงที่ของเวลาในวงจรนี้ ผู้ออกแบบควรระมัดระวังเกี่ยวกับประเด็นด้านล่างเมื่อสร้างทางกายภาพ

หลีกเลี่ยงเขียงหั่นขนมหรือกระดานหุ้มทองแดงหรือแผงแถบอื่น ๆ สำหรับการเชื่อมต่อ สร้างวงจรบน PCBเท่านั้น
สหกรณ์แอมป์จะต้องมีการบัดกรีโดยตรงกับแผ่น PCB โดยไม่ต้องถือ IC
ใช้การติดตามแบบสั้นสำหรับพา ธ ป้อนกลับและแหล่งที่มาของกระแสอินพุต (โฟโตไดโอดหรือสิ่งที่คล้ายกันที่จำเป็นในการวัดโดยแอมพลิฟายเออร์ Transimpedance)
วางตัวต้านทานแบบป้อนกลับและตัวเก็บประจุให้ใกล้กับแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้มากที่สุด
ควรใช้ตัวต้านทานแบบตะกั่วสั้น
เพิ่มตัวเก็บประจุตัวกรองที่เหมาะสมทั้งค่าขนาดใหญ่และค่าเล็กบนรางจ่ายไฟ
เลือก op-amp ที่เหมาะสมซึ่งออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับเครื่องขยายเสียงนี้เพื่อความเรียบง่ายของการออกแบบ

แอปพลิเคชั่นของ Transimpedance Amplifier

เครื่องขยายสัญญาณ Transimpedance เป็นเครื่องมือวัดสัญญาณกระแสไฟฟ้าที่จำเป็นที่สุดสำหรับการทำงานที่เกี่ยวข้องกับการตรวจจับแสง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมเคมีเครื่องวัดความดันเครื่องวัดความเร่งประเภทต่างๆระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูงและเทคโนโลยี LiDAR ซึ่งใช้ในรถยนต์ที่เป็นอิสระ

ส่วนที่สำคัญที่สุดของวงจร Transimpedance คือความเสถียรในการออกแบบ นี่เป็นเพราะปรสิตและปัญหาที่เกี่ยวข้องกับเสียง ผู้ออกแบบต้องระมัดระวังในการเลือกเครื่องขยายเสียงที่เหมาะสมและควรระมัดระวังในการใช้แนวทาง PCB ที่เหมาะสม