トランスインピーダンスアンプの選択と応用

投稿日四月 19, 2021
更新日七月 1, 2024

電流を電圧に変換する準備はできましたか？トランスインピーダンスアンプが必要になります。

これを読んでいる皆さんは、電子工学101のクラスでオペレーショナルアンプについて聞いたことを覚えているかもしれませんが、その重要性が明らかになるのは、さまざまなアプリケーションでそれらを使用し始めるまでのことです。オペレーショナルアンプには、それぞれ特別な名前が付けられた多くの異なる実装があります。特に、電流から電圧への変換は、抵抗とオームの法則を使用するだけのように単純に思えるかもしれません。しかし、実際は、負荷と並列に抵抗を使用するよりも少し複雑です。

トランスインピーダンスアンプはまさにこの機能を提供し、フォトダイオードやトランシーバーのようなデバイスからの電流を電圧として読み取り、それをデジタル信号に変換することが可能になります。他のタイプのアンプといくつかの外部コンポーネントを使用して同様のことを行うかもしれませんが、トランスインピーダンスアンプICを使用すると、基板上のスペースを節約し、他の機能にアクセスできます。次のシステムに向けてのいくつかのオプションがあります。

トランスインピーダンスアンプとは何ですか？

若い頃に私が混乱したことの一つは、さまざまなアンプがどのように異なるのかということでした。トランスインピーダンスアンプの回路図を見ると、負のフィードバックを持つオペレーションアンプの回路と非常に似ています。では、オペレーショナルアンプと何が違うのでしょうか？答えは、オペレーショナルアンプからトランスインピーダンスアンプを構築できることです。違いは、アンプ回路に供給される信号と、回路内でのフィードバックの動作方法にあります。

トランスインピーダンスアンプに関するすべての理論を説明するのではなく、このすべてのポイントは、トランスインピーダンスアンプを使用して入力電流を電圧に変換できるということです。これは、次のような多くのアプリケーションで重要です：

フォトダイオードおよび光学機器：これらのコンポーネントは電流を出力しますが、ADCを使用してデジタル信号に変換する必要があります。トランスインピーダンスアンプ段階は、この電流を電圧に変換し、ADCに入力する前に変換します。自動運転車用のライダーシステムが今後の分野の一つです。
低消費電力アナログセンサー：圧力トランスデューサー、加速度計、およびその他の電流を出力するコンポーネントからの信号は、電圧に変換され、ADCに供給されます。
RF機器：通信および科学的なアプリケーションでは、マイクロ波周波数で動作するトランスインピーダンスアンプが使用されます。

この回路図は、補償されていないトランスインピーダンスアンプを構築するために使用される典型的なオペアンプ接続を示しています。

これらのアプリケーションのいずれかで設計している場合、オペアンプICを取り、トランスインピーダンスアンプとして構成するのではなく、トランスインピーダンスアンプICを選択することがあります。これらのICは特定のアプリケーションに最適化されており、離散コンポーネントでは設計が困難な他の機能を含んでいます。

重要な仕様

トランスインピーダンスアンプの重要な仕様は以下の通りです：

伝達インピーダンス。 これはアンプのゲインに相当します。伝達インピーダンスに入力電流を掛けると出力電圧が得られます。
トランスインピーダンス帯域幅。 すべてのトランスインピーダンスアンプは、線形範囲で動作する際にローパス伝達関数を持っています。多くの実用的なアプリケーションでは、デジタルまたはパルス電流を扱い、パルスの帯域幅はアンプの入力帯域幅を超えてはなりません。この仕様はユニティゲイン帯域幅と同じ意味を持ち、帯域幅を増加させるにはゲインを減少させる必要があります。
線形範囲。 他のオペアンプと同様に、トランスインピーダンスアンプICは入力信号が非常に大きい場合に飽和することがあります。範囲は上限または下限として、またはdBでのいくつかのダイナミックレンジとして指定される場合があります。
補償。 フォトダイオードセンシングや、寄生容量を持つ他のコンポーネントで使用される場合に重要です。フォトダイオードの回路モデルにおける寄生容量のため、トランスインピーダンスアンプの伝達関数に共振が生じることがあります。これは、ゲイン対入力周波数のプロットで見ることができ、ソースコンポーネントの寄生容量の異なる値に対して異なる曲線が生じます。内部補償を持つアンプは、寄生容量が高いソースコンポーネントの使用を可能にします。
参照RMS電流ノイズ。 これは、閉ループ動作におけるRMSノイズ電力スペクトル密度（電流項で）を示します。これは負のフィードバックループ内のゲインの関数になります。高品質のコンポーネントは、約1-10 pA/√HzのRMS電流を持ち、これは10,000のゲインで100 MHzの帯域幅で1-10 mVの出力信号上のノイズに変換されます。

Maxim Integrated, MAX40662

Maxim IntegratedからのMAX40662トランスインピーダンスアンプは、リダーレシーバーや電流パルスを含む関連アプリケーションでの光学距離測定用に設計された4チャンネルデバイスです。このコンポーネントの伝達インピーダンスはピン選択可能（25および50 kOhm）で、非常に低ノイズ（2.1 pA/√Hzの電力スペクトル密度）であり、低ジッターでの高速パルス電流測定に理想的です。また、内部マルチプレクサーを含み、帯域幅は最大440 MHzで、10 nsの電流パルスを簡単にサポートします。

MAX40662トランスインピーダンスアンプのアプリケーション回路。 MAX40662データシートより。

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

テキサス・インスツルメンツのLMH32401IRGTTは、差動出力のおかげで騒がしい環境での動作に理想的です。出力ゲインには2つの設定がありながらも、高いゲイン帯域幅積（20 kOhmで最大275 MHz、2 kOhmで最大450 MHz）を提供します。このコンポーネントの理想的な用途には、コンピュータビジョン、機械式スキャンリダー、飛行時間による位置測定、およびパルス電流源を使用する関連アプリケーションが含まれます。

電気光学測定アプリケーションのために、このトランスインピーダンスアンプには、統合された周囲光キャンセル回路と100 mAの電流クランプ回路が含まれており、過渡現象を抑制します。高ゲイン設定では、このコンポーネントは800 psという短い電流パルスを感知することができます。入力ノイズも全帯域で49 nA RMSに参照され、電流測定のための広いダイナミックレンジを提供します。

各ゲイン設定でのブロック図とトランスインピーダンス帯域幅。LMH32401データシートより。

Analog Devices, HMC799LP3E

Analog DevicesのHMC799LP3Eトランスインピーダンスアンプは、IFからHFへのアップコンバージョンのようなRFアプリケーション向けに設計されています。10 kOhmの転送インピーダンスで700 MHzの帯域幅があり、65 dBの高ダイナミックレンジが利用可能です。出力は内部で50 Ohmsにインピーダンスマッチされており、典型的なRFシステムで見られる他のコンポーネントと互換性があります。

HMC799LP3Eトランスインピーダンスアンプの機能図と転送インピーダンス。HMC799LP3Eデータシートより。

これらは市場で見つかるコンポーネントオプションの一部に過ぎませんが、多くの他のコンポーネントは電気光学以外の機能に特化しています。上記のコンポーネントは電気光学アプリケーションでの使用を目的として販売されていますが、他の多くのアナログセンサーと共に使用することができます。

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