Selezione e Applicazioni dell'Amplificatore di Transimpedenza

Pronti a convertire corrente in tensione? Avrete bisogno di un amplificatore di transimpedenza.

Tutti coloro che leggono probabilmente ricordano di aver sentito parlare di amplificatori operazionali nelle loro classi di elettronica di base, ma la loro importanza non diventa sempre evidente fino a quando non si inizia a utilizzarli per varie applicazioni. Esistono numerose implementazioni diverse per gli amplificatori operazionali, ognuna delle quali ha un nome speciale. In particolare, la conversione da corrente a tensione potrebbe sembrare semplice come l'uso di una resistenza e la legge di Ohm. Tuttavia, la realtà è un po' più complessa dell'uso di una resistenza in parallelo con un carico.

Gli amplificatori di transimpedenza forniscono esattamente questa funzionalità, il che rende possibile leggere una corrente da un dispositivo come un fotodiodo o un trasmettitore come una tensione, che può poi essere convertita in un segnale digitale. Anche se potreste fare qualcosa di simile con un altro tipo di amplificatore e alcuni componenti esterni, potete risparmiare spazio sulla vostra scheda e ottenere accesso ad alcune altre funzionalità quando utilizzate un IC amplificatore di transimpedenza. Ecco alcune opzioni per il vostro prossimo sistema.

Che cos'è un Amplificatore di Transimpedenza?

Una cosa che mi confondeva nei miei anni più giovani era cosa rendesse vari amplificatori diversi. Se guardate uno schema circuitale per un amplificatore di transimpedenza, sembra molto simile a un circuito di amplificatore operazionale con feedback negativo. Quindi cosa lo rende diverso da un amplificatore operazionale? La risposta è: potete costruire un amplificatore di transimpedenza da un amplificatore operazionale; la differenza sta nel segnale che viene alimentato nel circuito dell'amplificatore e in come funziona il feedback all'interno del circuito.

Piuttosto che passare attraverso tutta la teoria coinvolta negli amplificatori di transimpedenza, il punto di tutto ciò è che potete utilizzare un amplificatore di transimpedenza per convertire una corrente di ingresso in una tensione. Questo è importante in molte applicazioni, come:

• Fotodiodi e attrezzature ottiche: Questi componenti emettono corrente, ma questa deve essere convertita in un segnale digitale utilizzando un ADC. La fase dell'amplificatore di transimpedenza converte questa corrente in una tensione prima di essere inserita in un ADC. Un'area in arrivo è nei sistemi lidar per veicoli autonomi.

• Sensori analogici a bassa potenza: I segnali provenienti da trasduttori di pressione, accelerometri e altri componenti che emettono una corrente possono essere convertiti in una tensione e alimentati a un ADC.

• Attrezzature RF: Applicazioni telecom e scientifiche fanno uso di amplificatori di transimpedenza operanti a frequenze microwave.

Questo schema circuitale mostra la tipica connessione op-amp utilizzata per costruire un amplificatore di transimpedenza non compensato.

Se stai progettando per una di queste applicazioni, potresti optare per un amplificatore IC a transimpedenza, piuttosto che scegliere un IC op-amp e configurarlo come un amplificatore a transimpedenza. Questi IC sono ottimizzati per applicazioni specifiche e includono altre caratteristiche che possono essere difficili da progettare con componenti discreti.

Specifiche Importanti

Alcune specifiche importanti degli amplificatori a transimpedenza sono le seguenti:

• Impedenza di trasferimento. Questo è equivalente al guadagno dell'amplificatore. L'impedenza di trasferimento moltiplicata per la corrente di ingresso dà la tensione di uscita.

• Banda passante della transimpedenza. Tutti gli amplificatori a transimpedenza hanno funzioni di trasferimento passa-basso quando operano nell'intervallo lineare. Molte applicazioni pratiche trattano correnti digitali o impulsive, e la larghezza di banda dell'impulso non dovrebbe superare la larghezza di banda di ingresso dell'amplificatore. Questa specifica ha lo stesso significato della larghezza di banda a guadagno unitario, ovvero aumentare la larghezza di banda richiede la diminuzione del guadagno.

• Intervallo lineare. Come qualsiasi altro op-amp, un amplificatore IC a transimpedenza può saturarsi quando il segnale di ingresso è molto grande. L'intervallo può essere specificato come un limite superiore o come un limite inferiore e qualche intervallo dinamico in dB.

• Compensazione. Questo è importante nei componenti utilizzati per il rilevamento di fotodiodi o qualsiasi altro componente con capacità parassita. A causa della capacità parassita nel modello di circuito di un fotodiodo, può sorgere una risonanza nella funzione di trasferimento dell'amplificatore a transimpedenza. Questo può essere visto in un grafico del guadagno vs. frequenza di ingresso, dove curve diverse emergeranno per diversi valori della capacità parassita del componente sorgente. Un amplificatore con compensazione interna consente l'uso di un componente sorgente con maggiore capacità parassita.

• Rumore RMS di corrente riferito. Questo ti dice la densità spettrale di potenza del rumore RMS (in termini di corrente) in funzionamento a ciclo chiuso. Questo sarà una funzione del guadagno nel ciclo di retroazione negativa. Componenti di alta qualità avranno ~1-10 pA/√Hz di corrente RMS, che si traduce in 1-10 mV di rumore sul segnale di uscita per una larghezza di banda di 100 MHz a un guadagno di 10.000.

Maxim Integrated, MAX40662

L'amplificatore a transimpedenza MAX40662 di Maxim Integrated è un dispositivo a quattro canali progettato per misurazioni di distanza ottica nei ricevitori lidar e applicazioni correlate che coinvolgono impulsi di corrente. L'impedenza di trasferimento in questo componente è selezionabile tramite pin (25 e 50 kOhm) con rumore molto basso (2.1 pA/√Hz di densità spettrale di potenza), rendendo questo componente ideale per misurazioni di corrente impulsive veloci con basso jitter. Include anche un multiplexer interno, e la larghezza di banda è valutata fino a 440 MHz, che supporterà facilmente impulsi di corrente di 10 ns.

Circuito di applicazione dell'amplificatore a transimpedenza MAX40662. Dal datasheet del MAX40662.

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

Il LMH32401IRGTT di Texas Instruments è ideale per l'operazione in ambienti rumorosi grazie alla sua uscita differenziale. Il guadagno di uscita ha 2 impostazioni pur fornendo un alto prodotto guadagno-banda (valutato fino a 275 MHz a 20 kOhm, o 450 MHz a 2 kOhm). Le applicazioni ideali per questo componente includono la visione artificiale, il lidar scannerizzato meccanicamente, le misurazioni della posizione time-of-flight e applicazioni correlate che coinvolgono sorgenti di corrente pulsate.

Per le applicazioni di misurazione elettro-ottica, questo amplificatore di transimpedenza include un circuito integrato di cancellazione della luce ambientale e un circuito di clamp di corrente di 100 mA per smorzare i transienti. Nell'impostazione di guadagno più alta, questo componente può rilevare impulsi di corrente corti come 800 ps. Anche il rumore in ingresso è riferito a 49 nA RMS a piena larghezza di banda, fornendo un ampio intervallo dinamico per le misurazioni di corrente.

Diagramma a blocchi e larghezza di banda di transimpedenza per ogni impostazione di guadagno. Dal datasheet LMH32401.

Analog Devices, HMC799LP3E

L'amplificatore di transimpedenza HMC799LP3E di Analog Devices è destinato alle applicazioni RF come la conversione IF-to-HF. Offre un'impedenza di trasferimento di 10 kOhm con una larghezza di banda di 700 MHz e un'alta gamma dinamica di 65 dB. L'uscita è internamente adattata all'impedenza a 50 Ohm, rendendo questo componente compatibile con altri componenti tipici dei sistemi RF.

Diagramma funzionale dell'amplificatore di transimpedenza HMC799LP3E e impedenza di trasferimento. Dal datasheet HMC799LP3E.

Queste sono solo alcune delle opzioni di componenti che troverai sul mercato, e molti altri sono specializzati per funzioni al di fuori dell'elettro-ottica. Sebbene i componenti sopra menzionati siano stati commercializzati per l'uso in applicazioni elettro-ottiche, possono essere utilizzati con una gamma di altri sensori analogici.

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