Selección y Aplicaciones de Amplificadores de Transimpedancia

Listo para convertir corriente en voltaje? Necesitarás un amplificador de transimpedancia.

Todo el que esté leyendo esto probablemente recuerde haber escuchado sobre amplificadores operacionales en sus clases de electrónica básica, pero su importancia no siempre se hace evidente hasta que comienzas a usarlos para diversas aplicaciones. Hay un número de diferentes implementaciones para los amplificadores operacionales, cada una de las cuales recibe su propio nombre especial. En particular, la conversión de corriente a voltaje podría parecer tan simple como requerir el uso de una resistencia y la ley de Ohm. Sin embargo, la realidad es un poco más compleja que usar una resistencia en paralelo con una carga.

Los amplificadores de transimpedancia proporcionan exactamente esta funcionalidad, lo que hace posible leer una corriente de un dispositivo como un fotodiodo o un transceptor como un voltaje, que luego puede ser convertido a una señal digital. Aunque podrías hacer algo similar con otro tipo de amplificador y algunos componentes externos, puedes ahorrar espacio en tu placa y acceder a algunas otras características cuando usas un IC de amplificador de transimpedancia. Aquí tienes algunas opciones para tu próximo sistema.

¿Qué es un Amplificador de Transimpedancia?

Algo que me confundió en mis años jóvenes fue qué exactamente hace diferentes a varios amplificadores. Si miras un diagrama de circuito para un amplificador de transimpedancia, se ve bastante similar a un circuito de amplificador operacional con retroalimentación negativa. Entonces, ¿qué lo hace diferente de un amplificador operacional? La respuesta es: puedes construir un amplificador de transimpedancia a partir de un amplificador operacional; la diferencia está en la señal que se alimenta al circuito del amplificador y cómo funciona la retroalimentación dentro del circuito.

Más que pasar por toda la teoría involucrada en los amplificadores de transimpedancia, el punto de todo esto es que puedes usar un amplificador de transimpedancia para convertir una corriente de entrada en un voltaje. Esto es importante en muchas aplicaciones, tales como:

• Fotodiodos y equipos ópticos: Estos componentes emiten corriente, pero esto necesita ser convertido a una señal digital usando un ADC. La etapa del amplificador de transimpedancia convierte esta corriente en un voltaje antes de ser introducido en un ADC. Un área emergente está en sistemas lidar para vehículos autónomos.

• Sensores analógicos de baja potencia: Señales de transductores de presión, acelerómetros y otros componentes que emiten una corriente pueden ser convertidas a un voltaje y alimentadas a un ADC.

• Equipos de RF: Aplicaciones de telecomunicaciones y científicas hacen uso de amplificadores de transimpedancia operando a frecuencias de microondas.

Este diagrama de circuito muestra la conexión típica de op-amp usada para construir un amplificador de transimpedancia sin compensación.

Si está diseñando para una de estas aplicaciones, podría optar por un circuito integrado (IC) de amplificador de transimpedancia, en lugar de elegir un IC de amplificador operacional y configurarlo como un amplificador de transimpedancia. Estos IC están optimizados para aplicaciones específicas e incluyen otras características que pueden ser difíciles de diseñar con componentes discretos.

Especificaciones Importantes

Algunas especificaciones importantes de los amplificadores de transimpedancia son las siguientes:

• Impedancia de transferencia. Esto es equivalente a la ganancia del amplificador. La impedancia de transferencia multiplicada por la corriente de entrada da el voltaje de salida.

• Ancho de banda de transimpedancia. Todos los amplificadores de transimpedancia tienen funciones de transferencia de paso bajo cuando operan en el rango lineal. Muchas aplicaciones prácticas tratan con corrientes digitales o pulsadas, y el ancho de banda del pulso no debe exceder el ancho de banda de entrada del amplificador. Esta especificación tiene el mismo significado que el ancho de banda de ganancia unitaria, es decir, aumentar el ancho de banda requiere disminuir la ganancia.

• Rango lineal. Como cualquier otro op-amp, un IC de amplificador de transimpedancia puede saturarse cuando la señal de entrada es muy grande. El rango puede especificarse como un límite superior o como un límite inferior y algún rango dinámico en dB.

• Compensación. Esto es importante en componentes que se utilizan para la detección de fotodiodos o cualquier otro componente con capacitancia parásita. Debido a la capacitancia parásita en el modelo de circuito de un fotodiodo, puede surgir una resonancia en la función de transferencia del amplificador de transimpedancia. Esto se puede ver en un gráfico de ganancia vs. frecuencia de entrada, donde surgirán diferentes curvas para diferentes valores de la capacitancia parásita del componente fuente. Un amplificador con compensación interna permite el uso de un componente fuente con mayor capacitancia parásita.

• Ruido RMS de corriente referido. Esto le indica la densidad espectral de potencia de ruido RMS (en términos de corriente) en operación de bucle cerrado. Esto será una función de la ganancia en el bucle de retroalimentación negativa. Los componentes de alta calidad tendrán ~1-10 pA/√Hz de corriente RMS, lo que se traduce en 1-10 mV de ruido en la señal de salida para un ancho de banda de 100 MHz a una ganancia de 10,000.

Maxim Integrated, MAX40662

El amplificador de transimpedancia MAX40662 de Maxim Integrated es un dispositivo de cuatro canales diseñado para mediciones de distancia óptica en receptores lidar y aplicaciones relacionadas que involucran pulsos de corriente. La impedancia de transferencia en este componente es seleccionable por pines (25 y 50 kOhm) con un ruido muy bajo (2.1 pA/√Hz de densidad espectral de potencia), lo que hace que este componente sea ideal para mediciones de corriente pulsada rápidas con bajo jitter. También incluye un multiplexor interno, y el ancho de banda está calificado hasta 440 MHz, lo que soportará fácilmente pulsos de corriente de 10 ns.

Circuito de aplicación del amplificador de transimpedancia MAX40662. Del datasheet de MAX40662.

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

El LMH32401IRGTT de Texas Instruments es ideal para operar en entornos ruidosos gracias a su salida diferencial. La ganancia de salida tiene 2 configuraciones mientras sigue proporcionando un alto producto de ganancia-banda ancha (clasificado hasta 275 MHz a 20 kOhm, o 450 MHz a 2 kOhm). Las aplicaciones ideales para este componente incluyen visión por computadora, lidar escaneado mecánicamente, mediciones de posición de tiempo de vuelo y aplicaciones relacionadas con fuentes de corriente pulsada.

Para aplicaciones de medición electro-óptica, este amplificador de transimpedancia incluye un circuito integrado de cancelación de luz ambiental y un circuito de pinza de corriente de 100 mA para amortiguar transitorios. En la configuración de mayor ganancia, este componente puede detectar pulsos de corriente tan cortos como 800 ps. El ruido de entrada también se referencia a 49 nA RMS a ancho de banda completo, proporcionando un amplio rango dinámico para mediciones de corriente.

Diagrama de bloques y ancho de banda de transimpedancia en cada configuración de ganancia. Del datasheet de LMH32401.

Analog Devices, HMC799LP3E

El amplificador de transimpedancia HMC799LP3E de Analog Devices está destinado para aplicaciones RF como la conversión ascendente de IF a HF. Ofrece una impedancia de transferencia de 10 kOhm con un ancho de banda de 700 MHz y un alto rango dinámico de 65 dB. La salida está internamente adaptada a una impedancia de 50 Ohms, haciendo este componente compatible con otros componentes encontrados en sistemas RF típicos.

Diagrama funcional del amplificador de transimpedancia HMC799LP3E y la impedancia de transferencia. Del datasheet de HMC799LP3E.

Estas son solo algunas de las opciones de componentes que encontrarás en el mercado, y muchos otros están especializados para funciones fuera de la electro-óptica. Aunque los componentes mencionados anteriormente han sido comercializados para su uso en aplicaciones electro-ópticas, pueden utilizarse con una gama de otros sensores analógicos.

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