Sélection et applications de l'amplificateur à transimpédance

Prêt à convertir le courant en tension ? Vous aurez besoin d'un amplificateur transimpédance.

Tout le monde lisant ceci se souvient probablement avoir entendu parler des amplificateurs opérationnels dans leurs cours d'électronique 101, mais leur importance ne devient pas toujours évidente jusqu'à ce que vous commenciez à les utiliser pour diverses applications. Il existe un certain nombre de mises en œuvre différentes pour les amplificateurs opérationnels, chacune ayant son propre nom spécial. En particulier, la conversion courant-tension peut sembler aussi simple que l'utilisation d'une résistance et de la loi d'Ohm. Cependant, la réalité est un peu plus complexe que d'utiliser une résistance en parallèle avec une charge.

Les amplificateurs transimpédance fournissent exactement cette fonctionnalité, ce qui rend possible la lecture d'un courant provenant d'un dispositif comme une photodiode ou un émetteur-récepteur en tant que tension, qui peut ensuite être convertie en un signal numérique. Bien que vous puissiez faire quelque chose de similaire avec un autre type d'amplificateur et quelques composants externes, vous pouvez économiser de l'espace sur votre carte et accéder à d'autres fonctionnalités lorsque vous utilisez un CI d'amplificateur transimpédance. Voici quelques options pour votre prochain système.

Qu'est-ce qu'un amplificateur transimpédance ?

Une chose qui me confondait dans mes jeunes années était ce qui rend exactement différents les amplificateurs. Si vous regardez un schéma de circuit pour un amplificateur transimpédance, il ressemble beaucoup à un circuit d'amplificateur opérationnel avec une rétroaction négative. Alors, qu'est-ce qui le différencie d'un amplificateur opérationnel ? La réponse est : vous pouvez construire un amplificateur transimpédance à partir d'un amplificateur opérationnel ; la différence réside dans le signal alimenté dans le circuit de l'amplificateur et comment fonctionne la rétroaction dans le circuit.

Plutôt que de passer par toute la théorie impliquée dans les amplificateurs transimpédance, le point de tout cela est que vous pouvez utiliser un amplificateur transimpédance pour convertir un courant d'entrée en tension. Cela est important dans de nombreuses applications, telles que :

• Photodiodes et équipement optique : Ces composants délivrent un courant, mais cela doit être converti en un signal numérique à l'aide d'un CAN. L'étage d'amplificateur transimpédance convertit ce courant en tension avant d'être entré dans un CAN. Un domaine en devenir est dans les systèmes lidar pour véhicules autonomes.

• Capteurs analogiques à faible puissance : Les signaux provenant de transducteurs de pression, d'accéléromètres et d'autres composants qui délivrent un courant peuvent être convertis en tension et alimentés à un CAN.

• Équipement RF : Les applications de télécommunications et scientifiques utilisent des amplificateurs transimpédance fonctionnant à des fréquences micro-ondes.

Ce schéma de circuit montre la connexion typique d'un ampli-op utilisée pour construire un amplificateur transimpédance non compensé.

Si vous concevez pour l'une de ces applications, vous pourriez opter pour un amplificateur à transimpédance IC, plutôt que de choisir un IC amplificateur opérationnel et de le configurer en tant qu'amplificateur à transimpédance. Ces IC sont optimisés pour des applications spécifiques et incluent d'autres fonctionnalités qui peuvent être difficiles à concevoir avec des composants discrets.

Spécifications importantes

Certaines spécifications importantes d'amplificateur à transimpédance sont les suivantes :

• Impédance de transfert. Cela équivaut au gain de l'amplificateur. L'impédance de transfert multipliée par le courant d'entrée donne la tension de sortie.

• Bande passante de transimpédance. Tous les amplificateurs à transimpédance ont des fonctions de transfert passe-bas lorsqu'ils fonctionnent dans la plage linéaire. De nombreuses applications pratiques traitent des courants numériques ou pulsés, et la bande passante de l'impulsion ne doit pas dépasser la bande passante d'entrée de l'amplificateur. Cette spécification a la même signification que la bande passante à gain unitaire, c'est-à-dire qu'augmenter la bande passante nécessite de diminuer le gain.

• Plage linéaire. Comme tout autre amplificateur opérationnel, un IC amplificateur à transimpédance peut saturer lorsque le signal d'entrée est très grand. La plage peut être spécifiée comme une limite supérieure ou comme une limite inférieure et une certaine plage dynamique en dB.

• Compensation. Cela est important dans les composants utilisés pour la détection de photodiodes ou tout autre composant avec une capacité parasite. En raison de la capacité parasite dans le modèle de circuit d'une photodiode, une résonance peut survenir dans la fonction de transfert de l'amplificateur à transimpédance. Cela peut être observé dans un graphique de gain vs fréquence d'entrée, où différentes courbes apparaîtront pour différentes valeurs de la capacité parasite du composant source. Un amplificateur avec compensation interne permet l'utilisation d'un composant source avec une capacité parasite plus élevée.

• Bruit RMS de courant référencé. Cela vous indique la densité spectrale de puissance de bruit RMS (en termes de courant) en fonctionnement en boucle fermée. Cela sera une fonction du gain dans la boucle de rétroaction négative. Les composants de haute qualité auront ~1-10 pA/√Hz de courant RMS, ce qui se traduit par 1-10 mV de bruit sur le signal de sortie pour une bande passante de 100 MHz à un gain de 10 000.

Maxim Integrated, MAX40662

L'amplificateur à transimpédance MAX40662 de Maxim Integrated est un dispositif à quatre canaux conçu pour les mesures de distance optique dans les récepteurs lidar et les applications connexes impliquant des impulsions de courant. L'impédance de transfert dans ce composant est sélectionnable par broche (25 et 50 kOhm) avec un très faible bruit (2,1 pA/√Hz de densité spectrale de puissance), rendant ce composant idéal pour les mesures de courant pulsé rapides avec peu de jitter. Il inclut également un multiplexeur interne, et la bande passante est évaluée jusqu'à 440 MHz, ce qui supportera facilement des impulsions de courant de 10 ns.

Circuit d'application de l'amplificateur à transimpédance MAX40662. Extrait de la fiche technique du MAX40662.

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

Le LMH32401IRGTT de Texas Instruments est idéal pour fonctionner dans des environnements bruyants grâce à sa sortie différentielle. Le gain de sortie a 2 réglages tout en offrant un produit gain-bande passante élevé (évalué jusqu'à 275 MHz à 20 kOhm, ou 450 MHz à 2 kOhm). Les applications idéales pour ce composant incluent la vision par ordinateur, le lidar à balayage mécanique, les mesures de position par temps de vol et les applications connexes impliquant des sources de courant pulsé.

Pour les applications de mesure électro-optique, cet amplificateur de transimpédance comprend un circuit d'annulation de lumière ambiante intégré et un circuit de serrage de courant de 100 mA pour amortir les transitoires. Au réglage de gain supérieur, ce composant peut détecter des impulsions de courant aussi courtes que 800 ps. Le bruit d'entrée est également référencé à 49 nA RMS à pleine bande passante, offrant une large gamme dynamique pour les mesures de courant.

Diagramme de bloc et bande passante de transimpédance à chaque réglage de gain. Tiré de la fiche technique LMH32401.

Analog Devices, HMC799LP3E

L'amplificateur de transimpédance HMC799LP3E d'Analog Devices est destiné aux applications RF telles que la conversion montante IF-vers-HF. Une impédance de transfert de 10 kOhm avec une bande passante de 700 MHz est disponible avec une grande plage dynamique de 65 dB. La sortie est adaptée en impédance à 50 Ohms en interne, rendant ce composant compatible avec d'autres composants trouvés dans les systèmes RF typiques.

Diagramme fonctionnel de l'amplificateur de transimpédance HMC799LP3E et impédance de transfert. Tiré de la fiche technique HMC799LP3E.

Ce ne sont là que quelques-unes des options de composants que vous trouverez sur le marché, et beaucoup d'autres sont spécialisés pour des fonctions en dehors de l'électro-optique. Bien que les composants ci-dessus aient été commercialisés pour une utilisation dans des applications électro-optiques, ils peuvent être utilisés avec une gamme d'autres capteurs analogiques.

Que vous ayez besoin d'un amplificateur de transimpédance ou d'un autre amplificateur à but spécial, vous pouvez trouver exactement les composants dont vous avez besoin lorsque vous utilisez les fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Vous aurez accès à un moteur de recherche étendu avec des données de distributeurs et des spécifications de pièces, le tout accessible via une interface conviviale. Jetez un œil à notre page sur les circuits intégrés linéaires pour trouver les composants dont vous avez besoin pour l'acquisition de signaux, l'amplification et le filtrage.

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