Auswahl und Anwendungen von Transimpedanzverstärkern

Bereit, Strom in Spannung umzuwandeln? Sie benötigen einen Transimpedanzverstärker.

Jeder, der dies liest, erinnert sich wahrscheinlich daran, in seinen Elektronik-Grundkursen von Operationsverstärkern gehört zu haben, aber ihre Bedeutung wird oft erst offensichtlich, wenn man sie für verschiedene Anwendungen einsetzt. Es gibt eine Reihe verschiedener Implementierungen für Operationsverstärker, von denen jeder seinen eigenen speziellen Namen hat. Insbesondere könnte die Umwandlung von Strom in Spannung so einfach erscheinen, als würde man nur einen Widerstand und das Ohmsche Gesetz benötigen. Die Realität ist jedoch etwas komplexer als die Verwendung eines Widerstands parallel zu einer Last.

Transimpedanzverstärker bieten genau diese Funktionalität, was es möglich macht, einen Strom von einem Gerät wie einer Photodiode oder einem Transceiver als Spannung auszulesen, die dann in ein digitales Signal umgewandelt werden kann. Während man etwas Ähnliches mit einem anderen Verstärkertyp und einigen externen Komponenten machen könnte, kann man Platz auf seiner Platine sparen und Zugang zu einigen anderen Funktionen erhalten, wenn man einen Transimpedanzverstärker-IC verwendet. Hier sind einige Optionen für Ihr nächstes System.

Was ist ein Transimpedanzverstärker?

Eine Sache, die mich in meinen jüngeren Jahren verwirrte, war, was genau verschiedene Verstärker unterscheidet. Wenn man sich ein Schaltbild für einen Transimpedanzverstärker ansieht, sieht es einem Operationsverstärker-Schaltkreis mit negativer Rückkopplung sehr ähnlich. Was also unterscheidet ihn von einem Operationsverstärker? Die Antwort ist: Man kann einen Transimpedanzverstärker aus einem Operationsverstärker aufbauen; der Unterschied liegt im Signal, das in den Verstärkerschaltkreis eingespeist wird, und wie die Rückkopplung innerhalb des Schaltkreises funktioniert.

Anstatt sich mit der ganzen Theorie zu Transimpedanzverstärkern zu befassen, ist der Punkt all dessen, dass man einen Transimpedanzverstärker verwenden kann, um einen Eingangsstrom in eine Spannung umzuwandeln. Dies ist wichtig in vielen Anwendungen, wie zum Beispiel:

• Photodioden und optische Geräte: Diese Komponenten geben Strom aus, aber dieser muss in ein digitales Signal mit einem ADC umgewandelt werden. Die Transimpedanzverstärkerstufe wandelt diesen Strom in eine Spannung um, bevor sie in einen ADC eingegeben wird. Ein aufkommender Bereich ist in Lidar-Systemen für autonome Fahrzeuge.

• Niedrigleistungs-Analogsensoren: Signale von Druckwandlern, Beschleunigungsmessern und anderen Komponenten, die einen Strom ausgeben, können in eine Spannung umgewandelt und einem ADC zugeführt werden.

• RF-Geräte: Telekommunikations- und wissenschaftliche Anwendungen nutzen Transimpedanzverstärker, die bei Mikrowellenfrequenzen arbeiten.

Dieses Schaltbild zeigt die typische Operationsverstärker-Verbindung, die verwendet wird, um einen unkompensierten Transimpedanzverstärker aufzubauen.

Wenn Sie für eine dieser Anwendungen entwerfen, könnten Sie sich für einen Transimpedanzverstärker-IC entscheiden, anstatt einen Operationsverstärker-IC zu nehmen und ihn als Transimpedanzverstärker zu konfigurieren. Diese ICs sind für spezifische Anwendungen optimiert und beinhalten andere Funktionen, die mit diskreten Komponenten schwer zu entwerfen sein könnten.

Wichtige Spezifikationen

Einige wichtige Spezifikationen von Transimpedanzverstärkern sind wie folgt:

• Transferimpedanz. Dies entspricht der Verstärkung des Verstärkers. Die Transferimpedanz multipliziert mit dem Eingangsstrom ergibt die Ausgangsspannung.

• Transimpedanz-Bandbreite. Alle Transimpedanzverstärker haben Tiefpass-Übertragungsfunktionen, wenn sie im linearen Bereich arbeiten. Viele praktische Anwendungen befassen sich mit digitalen oder gepulsten Strömen, und die Bandbreite des Pulses sollte die Eingangsbandbreite des Verstärkers nicht überschreiten. Diese Spezifikation hat die gleiche Bedeutung wie die Bandbreite bei Einheitsverstärkung, d.h., eine Erhöhung der Bandbreite erfordert eine Verringerung der Verstärkung.

• Linearer Bereich. Wie jeder andere Operationsverstärker kann ein Transimpedanzverstärker-IC sättigen, wenn das Eingangssignal sehr groß ist. Der Bereich kann als obere Grenze oder als untere Grenze und einiger dynamischer Bereich in dB angegeben werden.

• Kompensation. Dies ist wichtig bei Komponenten, die für die Photodiodendetektion oder jede andere Komponente mit parasitärer Kapazität verwendet werden. Aufgrund der parasitären Kapazität im Schaltungsmodell einer Photodiode kann eine Resonanz in der Übertragungsfunktion des Transimpedanzverstärkers entstehen. Dies kann in einem Diagramm der Verstärkung vs. Eingangsfrequenz gesehen werden, wo verschiedene Kurven für unterschiedliche Werte der parasitären Kapazität der Quellenkomponente entstehen werden. Ein Verstärker mit interner Kompensation ermöglicht die Verwendung einer Quellenkomponente mit höherer parasitärer Kapazität.

• Bezogener RMS-Stromrauschen. Dies gibt Ihnen die RMS-Rauschleistungsdichte (in Strombegriffen) im geschlossenen Betrieb an. Dies wird eine Funktion der Verstärkung in der negativen Rückkopplungsschleife sein. Hochwertige Komponenten werden ~1-10 pA/√Hz RMS-Strom haben, was sich in 1-10 mV Rauschen auf dem Ausgangssignal für eine Bandbreite von 100 MHz bei einer Verstärkung von 10.000 übersetzt.

Maxim Integrated, MAX40662

Der MAX40662 Transimpedanzverstärker von Maxim Integrated ist ein Vierkanal-Gerät, das für optische Entfernungsmessungen in Lidar-Empfängern und verwandten Anwendungen mit Strompulsen konzipiert wurde. Die Transferimpedanz in dieser Komponente ist pin-wählbar (25 und 50 kOhm) mit sehr niedrigem Rauschen (2,1 pA/√Hz Leistungsdichtespektrum), was diese Komponente ideal für schnelle gepulste Strommessungen mit geringem Jitter macht. Es beinhaltet auch einen internen Multiplexer, und die Bandbreite wird mit bis zu 440 MHz bewertet, was 10 ns Strompulse leicht unterstützen wird.

MAX40662 Transimpedanzverstärker-Anwendungsschaltung. Aus dem MAX40662 Datenblatt.

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

Der LMH32401IRGTT von Texas Instruments eignet sich ideal für den Betrieb in lauten Umgebungen dank seines differentiellen Ausgangs. Die Ausgangsverstärkung hat 2 Einstellungen und bietet dennoch ein hohes Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt (bewertet bis zu 275 MHz bei 20 kOhm oder 450 MHz bei 2 kOhm). Ideale Anwendungen für diese Komponente umfassen Computer Vision, mechanisch gescannte Lidar, Time-of-Flight-Positionsbestimmungen und verwandte Anwendungen, die gepulste Stromquellen involvieren.

Für elektro-optische Messanwendungen beinhaltet dieser Transimpedanzverstärker einen integrierten Umgebungslicht-Auslöschungsschaltkreis und einen 100 mA Stromklemmschaltkreis zur Dämpfung von Transienten. Bei der höheren Verstärkungseinstellung kann diese Komponente Strompulse so kurz wie 800 ps erfassen. Das Eingangsrauschen wird ebenfalls mit 49 nA RMS bei voller Bandbreite referenziert und bietet einen weiten Dynamikbereich für Strommessungen.

Blockdiagramm und Transimpedanzbandbreite bei jeder Verstärkungseinstellung. Aus dem LMH32401 Datenblatt.

Analog Devices, HMC799LP3E

Der HMC799LP3E Transimpedanzverstärker von Analog Devices ist für RF-Anwendungen wie IF-zu-HF-Umsetzung vorgesehen. Eine Transferimpedanz von 10 kOhm mit 700 MHz Bandbreite ist verfügbar mit einem hohen Dynamikbereich von 65 dB. Der Ausgang ist intern auf 50 Ohm Impedanz abgestimmt, was diese Komponente kompatibel mit anderen Komponenten in typischen RF-Systemen macht.

HMC799LP3E Transimpedanzverstärker Funktionsdiagramm und Transferimpedanz. Aus dem HMC799LP3E Datenblatt.

Dies sind nur einige der Komponentenoptionen, die Sie auf dem Markt finden werden, und viele andere sind spezialisiert auf Funktionen außerhalb der Elektrooptik. Obwohl die oben genannten Komponenten für den Einsatz in elektro-optischen Anwendungen vermarktet wurden, können sie mit einer Reihe anderer analoger Sensoren verwendet werden.

Ob Sie einen Transimpedanzverstärker oder einen anderen speziellen Verstärker benötigen, Sie können genau die Komponenten finden, die Sie benötigen, wenn Sie die fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart nutzen. Sie haben Zugang zu einer umfangreichen Suchmaschine mit Distributordaten und Teilespezifikationen, alles zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Sehen Sie sich unsere Seite mit linearen integrierten Schaltkreisen an, um die Komponenten zu finden, die Sie für die Signalakquisition, Verstärkung und Filterung benötigen.

Bleiben Sie auf dem Laufenden mit unseren neuesten Artikeln, indem Sie sich für unseren Newsletter anmelden.