Transimpedance Amplifier 선택 및 응용

전류를 전압으로 변환할 준비가 되셨나요? 이를 위해서는 트랜스임피던스 증폭기가 필요합니다.

이 글을 읽고 계신 모든 분들은 아마도 전자공학 101 수업에서 연산 증폭기에 대해 들어본 기억이 있을 것입니다. 하지만 그 중요성은 다양한 응용 분야에서 사용하기 시작할 때 비로소 명확해집니다. 연산 증폭기에는 여러 가지 다른 구현 방법이 있으며, 각각은 특별한 이름으로 불립니다. 특히, 전류를 전압으로 변환하는 것은 저항기 하나와 옴의 법칙을 사용하는 것처럼 단순해 보일 수 있습니다. 하지만, 현실은 부하와 병렬로 저항기를 사용하는 것보다 조금 더 복잡합니다.

트랜스임피던스 증폭기는 바로 이러한 기능을 제공합니다. 이를 통해 광다이오드나 트랜시버와 같은 장치에서 전류를 읽어 전압으로 변환할 수 있으며, 이를 디지털 신호로 변환할 수 있습니다. 다른 유형의 증폭기와 몇 가지 외부 구성 요소를 사용하여 비슷한 작업을 수행할 수도 있지만, 트랜스임피던스 증폭기 IC를 사용하면 보드 공간을 절약하고 다른 기능에 접근할 수 있습니다. 다음 시스템을 위한 몇 가지 옵션이 있습니다.

트랜스임피던스 증폭기란 무엇인가?

젊은 시절 혼란스러웠던 한 가지는 다양한 증폭기가 서로 어떻게 다른지였습니다. 트랜스임피던스 증폭기의 회로도를 보면, 음성 피드백이 있는 연산 증폭기 회로와 매우 유사해 보입니다. 그렇다면 연산 증폭기와 무엇이 다른가요? 답은 다음과 같습니다: 연산 증폭기에서 트랜스임피던스 증폭기를 구축할 수 있으며, 차이점은 증폭기 회로로 들어가는 신호와 회로 내에서 피드백이 작동하는 방식에 있습니다.

트랜스임피던스 증폭기에 관련된 모든 이론을 다루기보다는, 중요한 점은 트랜스임피던스 증폭기를 사용하여 입력 전류를 전압으로 변환할 수 있다는 것입니다. 이는 다음과 같은 많은 응용 분야에서 중요합니다:

• 광다이오드 및 광학 장비: 이러한 구성 요소는 전류를 출력하지만, ADC를 사용하여 디지털 신호로 변환해야 합니다. 트랜스임피던스 증폭기 단계는 이 전류를 전압으로 변환한 후 ADC로 입력합니다. 하나의 새로운 분야는 자율 주행 차량을 위한 라이다 시스템입니다.

• 저전력 아날로그 센서: 압력 트랜스듀서, 가속도계 및 기타 전류를 출력하는 구성 요소의 신호는 전압으로 변환되어 ADC에 공급될 수 있습니다.

• RF 장비: 통신 및 과학 응용 분야에서는 마이크로파 주파수에서 작동하는 트랜스임피던스 증폭기를 사용합니다.

이 회로도는 보상되지 않은 트랜스임피던스 증폭기를 구축하는 데 사용되는 전형적인 연산 증폭기 연결을 보여줍니다.

이러한 응용 프로그램 중 하나를 위해 설계하는 경우, 트랜스임피던스 증폭기로 구성하는 대신 트랜스임피던스 증폭기 IC를 선택할 수 있습니다. 이러한 IC는 특정 응용 프로그램에 최적화되어 있으며 별도의 구성 요소로 설계하기 어려울 수 있는 기타 기능을 포함하고 있습니다.

중요 사양

트랜스임피던스 증폭기의 중요 사양은 다음과 같습니다:

• 전달 임피던스. 이는 증폭기의 이득과 동일합니다. 전달 임피던스에 입력 전류를 곱하면 출력 전압이 됩니다.

• 트랜스임피던스 대역폭. 모든 트랜스임피던스 증폭기는 선형 범위에서 저역 통과 전달 함수를 가집니다. 많은 실제 응용 프로그램은 디지털 또는 펄스 전류를 다루며, 펄스의 대역폭은 증폭기의 입력 대역폭을 초과해서는 안 됩니다. 이 사양은 단위 이득 대역폭과 같은 의미로, 대역폭을 증가시키려면 이득을 감소시켜야 합니다.

• 선형 범위. 다른 모든 오프앰프와 마찬가지로, 트랜스임피던스 증폭기 IC는 입력 신호가 매우 클 때 포화될 수 있습니다. 범위는 상한 또는 하한으로 지정될 수 있으며 dB 단위의 일부 동적 범위가 있을 수 있습니다.

• 보상. 광다이오드 감지 또는 기생 커패시턴스가 있는 다른 구성 요소를 사용하는 구성 요소에서 중요합니다. 광다이오드의 회로 모델에서 기생 커패시턴스로 인해 트랜스임피던스 증폭기의 전달 함수에서 공진이 발생할 수 있습니다. 이는 입력 주파수 대비 이득 그래프에서 볼 수 있으며, 소스 구성 요소의 기생 커패시턴스 값이 다를 때 다른 곡선이 나타날 것입니다. 내부 보상이 있는 증폭기를 사용하면 기생 커패시턴스가 더 높은 소스 구성 요소를 사용할 수 있습니다.

• 기준 RMS 전류 노이즈. 이는 폐루프 작동에서 전류 용어로의 RMS 노이즈 전력 스펙트럼 밀도를 알려줍니다. 이는 음의 피드백 루프에서 이득의 함수가 될 것입니다. 고품질 구성 요소는 ~1-10 pA/√Hz RMS 전류를 가지며, 이는 10,000의 이득에서 100 MHz 대역폭에 대해 출력 신호에서 1-10 mV 노이즈로 변환됩니다.

Maxim Integrated, MAX40662

Maxim Integrated의 MAX40662 트랜스임피던스 증폭기는 리다 수신기 및 전류 펄스를 포함한 관련 응용 프로그램에서 광학 거리 측정을 위해 설계된 4채널 장치입니다. 이 구성 요소의 전달 임피던스는 핀 선택 가능(25 및 50 kOhm)이며 매우 낮은 노이즈(2.1 pA/√Hz 전력 스펙트럼 밀도)를 가지고 있어, 낮은 지터로 빠른 펄스 전류 측정에 이상적입니다. 또한 내부 멀티플렉서를 포함하며, 대역폭은 최대 440 MHz로 평가되어 10 ns 전류 펄스를 쉽게 지원합니다.

MAX40662 트랜스임피던스 증폭기 응용 회로. MAX40662 데이터시트에서.

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

Texas Instruments의 LMH32401IRGTT는 차동 출력 덕분에 소음이 많은 환경에서 운용하기에 이상적입니다. 출력 이득은 2가지 설정이 가능하며 여전히 높은 이득-대역폭 제품(20 kOhm에서 최대 275 MHz, 2 kOhm에서 450 MHz로 평가)을 제공합니다. 이 구성 요소에 적합한 응용 프로그램으로는 컴퓨터 비전, 기계적으로 스캔된 라이다, 비행 시간 위치 측정 및 펄스 전류 소스를 포함하는 관련 응용 프로그램이 있습니다.

전기-광학 측정 응용 프로그램의 경우, 이 트랜스임피던스 증폭기는 통합된 주변광 취소 회로와 100 mA 전류 클램프 회로를 포함하여 과도 현상을 감쇠시킵니다. 높은 이득 설정에서 이 구성 요소는 800 ps까지 짧은 전류 펄스를 감지할 수 있습니다. 입력 잡음도 전체 대역폭에서 49 nA RMS로 참조되어 전류 측정을 위한 넓은 동적 범위를 제공합니다.

각 이득 설정에서의 블록 다이어그램 및 트랜스임피던스 대역폭. LMH32401 데이터시트에서.

Analog Devices, HMC799LP3E

Analog Devices의 HMC799LP3E 트랜스임피던스 증폭기는 IF-to-HF 업컨버전과 같은 RF 응용 프로그램을 위해 설계되었습니다. 700 MHz 대역폭으로 10 kOhm의 전달 임피던스가 가능하며 65 dB의 높은 동적 범위를 제공합니다. 출력은 내부적으로 50 옴에 임피던스 매칭되어 있어 일반적인 RF 시스템에서 발견되는 다른 구성 요소와 호환됩니다.

HMC799LP3E 트랜스임피던스 증폭기 기능 다이어그램 및 전달 임피던스. HMC799LP3E 데이터시트에서.

시장에서 찾을 수 있는 구성 요소 옵션은 이것들뿐만이 아니며, 많은 다른 구성 요소들은 전기-광학 외의 기능에 특화되어 있습니다. 위의 구성 요소들은 전기-광학 응용 프로그램에 사용하기 위해 마케팅되었지만, 다른 아날로그 센서와 함께 사용될 수 있습니다.

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